Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm tìm ra các giải pháp kỹ thuật và chế độ công nghệ hàn thích hợp; chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng quá trình hàn TIG để hàn nhôm với thép ở dạng tấm dày, không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu trung gian. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết đề tài!
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀ NỘI - 2014
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Hoàng Tùng 2. PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà
HÀ NỘI - 2014
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác!
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014 Người cam đoan
Vũ Đình Toại
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Hoàng Tùng PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà
i
LỜI CÁM ƠN
Tác giả chân thành cám ơn PGS. TS. Hoàng Tùng và PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà, đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí và Trung tâm Thực hành - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (trong đó đặc biệt là ThS. Vũ Văn Ba và KS. Vũ Văn Đạt – người trực tiếp thí nghiệm) đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất phục vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và kiểm tra cơ tính liên kết hàn nhôm – thép tại đây.
Tác giả trân trọng cám ơn ThS. Trần Thị Xuân - Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình đo độ cứng và chụp ảnh cấu trúc tế vi liên kết hàn nhôm – thép mà tác giả nghiên cứu ra.
Tác giả trân trọng cám ơn Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử & Vi phân tích - Viện Tiên tiến Khoa học & Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình chụp ảnh cấu trúc siêu tế vi và phân tích thành phần nguyên tố trong liên kết hàn nhôm – thép bằng các kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX).
Tác giả trân trọng cám ơn các bạn thân hữu và các đồng nghiệp trong Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này.
Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ tác giả cùng toàn thể các thành viên trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện về tài chính và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình tác giả nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả luận án Vũ Đình Toại
ii
Trang vi xi xii
2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG 2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100 2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm 2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG 2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG 2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38 2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 1.3. Kết luận chương 1 2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 2.1. Mục đích 2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 1 5 5 6 17 18 18 18 18 18 21 21 23 23 23 24 24 26 28 2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại 2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn 2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm - thép 2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết 32 hàn hybrid nhôm - thép
32 32 33 2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại 2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn 2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn 2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm - thép bằng quá trình 36 hàn TIG
2.4. Kết luận chương 2 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T
3.1. Mục đích 3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn 3.2.2. Xây dựng ma trận dòng nhiệt 3.2.3. Xây dựng ma trận kết cấu 3.2.4. Thiết lập bài toán đa trường nhiệt - kết cấu 3.3. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T
bằng phương pháp số 3.3.1. Thiết kế liên kết hàn hybrid nhôm - thép bằng kỹ thuật tính toán tối ưu
3.3.1.1. Bài toán tối ưu trong thiết kế kết cấu 3.3.1.2. Mô hình liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 3.3.2.1. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 38 40 40 40 40 41 42 44 45 45 45 49 51
iii
ở phương án thiết kế sơ bộ 3.3.2.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 3.4. Xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng
chữ T bằng mô phỏng số 3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T
3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG 3.4.1.2. Mô hình các thuộc tính của vật liệu 3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng 3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trong tiết diện ngang của liên kết hàn 3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng 3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng hình thành liên kết hàn 3.4.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại
trong tiết diện ngang liên kết hàn hybrid nhôm - thép 3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán hiệu quả 3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn 3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T
3.5. Kết luận chương 3 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T
4.3.1. Vật liệu mẫu hàn và dây hàn 4.3.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
4.1. Mục đích 4.2. Trang thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Thiết bị hàn 4.2.2. Đồ gá hàn 4.2.3. Các trang thiết bị phụ trợ 4.3. Mẫu thí nghiệm 4.4. Xây dựng thí nghiệm 4.4.1. Sơ đồ gá kẹp mẫu thí nghiệm 4.4.2. Các chế độ và quy trình thí nghiệm 4.5. Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 4.5.1. Thử kéo và bẻ liên kết hàn 4.5.2. Các trang thiết bị dùng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàn 4.6. Kết luận chương 4 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết 5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid 51 52 56 56 56 57 59 62 62 63 66 69 69 70 72 72 74 75 75 75 75 76 77 78 78 78 79 79 79 81 81 83 85 86 86 88
iv
nhôm - thép dạng chữ T
5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.7. Độ cứng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 5.7.1. Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC 5.7.2. Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC 88 90 92 92 92 93 94 94 95
95
bằng phổ tán sắc năng lượng tia X 5.9.1. Khuếch tán kim loại tại vùng không chứa lớp IMC 5.9.2. Khuếch tán kim loại tại vùng có lớp IMC
5.8. Nghiên cứu cấu trúc siêu tế vi, thành phần hợp kim của lớp IMC & vùng liên kết giữa KLMH với tấm thép CCT38 bằng các kỹ thuật SEM và EDS 5.8.1. Cấu trúc siêu tế vi dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 5.8.2. Phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật EDS 5.9. Nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại trong liên kết hàn nhôm - thép
5.10. Kết luận chương 5 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 95 97 98 98 101 104 105 106 110
v
Đơn vị Ý nghĩa
[J] Lượng nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích Ký hiệu / Viết tắt q
[J] Dòng nhiệt truyền qua bề mặt đang xét q
Ma trận nhiệt dung riêng của phần tử
Ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử
Ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử
Ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
Véc tơ lưu lượng nhiệt của phần tử
Véc tơ dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
Véc tơ tải trọng sinh nhiệt của phần tử
Ma trận khối lượng của phần tử
Ma trận độ cứng của phần tử
Ma trận độ cứng cơ sở của phần tử
Véc tơ tải trọng nhiệt của phần tử
Véc tơ tải áp lực (pressure) lên phần tử
Véc tơ tải trọng lực (nodal force) đặt lên nút của phần tử
Véc tơ gia tốc nút phần tử
[kg/m3] Khối lượng riêng của vật chất γ
Ký hiệu vi phân δ
[μm/(m.°C)] Hệ số dãn nở nhiệt α
Hệ số poisson ν
[%] Hiệu suất của quá trình hàn
Trọng số liên quan đến phương án thiết kế thứ j η φ(j)
Vi phân nhiệt độ δT
[MPa] Ứng suất cho phép [σ]
[mm] Độ võng cho phép [∆l]
Ma trận biến dạng - chuyển vị trên cơ sở của hàm hình dáng [B]
Ma trận hệ số dẫn nhiệt [K]
vi
[N] Ma trận hàm hình dáng của phần tử hữu hạn
[Nn] Ma trận hàm hình dáng của pháp tuyến động tại bề mặt chịu tải
Véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt {η}
Véc tơ biến dạng tổng thể {ε}
Véc tơ ứng suất {σ}
Véc tơ biến dạng đàn hồi {εel}
Véc tơ biến dạng nhiệt
Véc tơ vi phân chuyển vị {εth} {δu}T
{Fa} Véc tơ tải trọng
{L} Véc tơ cột (gradient)
{p} Véc tơ tải áp lực
{q} Véc tơ dòng nhiệt
Véc tơ nhiệt độ nút phần tử {Te}
{u} Véc tơ chuyển vị nút phần tử
{w} Véc tơ chuyển vị của của điểm đang xét
{ν} Véc tơ tốc độ truyền nhiệt
AC Dòng điện xoay chiều
Bề mặt có trở kháng phân bổ ac
Các thông số của mô hình nguồn nhiệt hàn af, ar, b, c
Bề mặt mà trên đó tải áp lực đặt vào ap
c [J/(kg.K)] Nhiệt dung riêng
c1, c2, c3, c4 Các hằng số được tính toán nội bộ trong thuật toán tối ưu
Cao1 [mm] Chiều cao tại đầu ngàm
Cao2 [mm] Chiều cao tại đầu tự do
CMT Dịch chuyển kim loại nguội (Cold Metal Transfer)
CNC Điều khiển số nhờ máy tính
d [mm] Đường kính điện cực vonfram
D [mm] Đường kính miệng chụp khí
Các hằng số được tính toán nội bộ trong thuật toán tối ưu d1, d2, d3, d4
db [mm] Chiều dày tấm biên
DC+ Dòng điện 1 chiều cực nghịch
dv [mm] Chiều dày tấm vách
e [C] Điện tích của điện tử (Culong)
vii
E [MPa] Mô đun đàn hồi
[Kcal] Năng lượng cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật
E0 E2 Sai số bình phương bé nhất của hàm mục tiêu
EB [Kcal] Năng lượng giữa các pha
EDS / EDX Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)
[Kcal] Năng lượng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng ER và EL
ES [Kcal] Năng lượng lớp bề mặt
Hàm số của các biến thiết kế F(x,pk)
FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
Hàm điều kiện giới hạn trên Gi(x)
Vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ / VAHN
Hệ số đối lưu nhiệt hf
Hàm điều kiện giới hạn dưới Hj(x)
Hybrid Lai ghép
[A] Dòng điện hàn Ih
IMC Hợp chất liên kim (Intermetallic Compound)
k Hằng số Boltzmann
KLCB Kim loại cơ bản
KLMH Kim loại mối hàn
Kmh [mm] Kích thước cạnh mối hàn
[W/(m.K)] Hệ số dẫn nhiệt lần lượt theo các hướng x, y và z Kxx, Kyy, Kzz
L [mm] Chiều dài dầm
m Tổng số các hàm ràng buộc
MIG Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ
MMA Hàn hồ quang tay
n Số lượng biến thiết kế độc lập cần phải tối ưu
N Tổng số các biến độc lập của mô hình
Số lượng các phương án thiết kế hiện thời nd
Số lần tính lặp đi lặp lại ns
Số lượng tối đa của lần tính lặp đi lặp lại Ns
Số phương án thiết kế không khả thi liên tiếp nsi
Số lượng tối đa của phương án thiết kế không khả thi liên Nsi
viii
tiếp
[W] Công suất nhiệt hiệu dụng P
Số lượng của tham số pk
Phần tử hữu hạn PTHH
Xử lý nhiệt sau khi hàn (Post Weld Heat Treatment) PWHT
q
Qf
Qr
[J/mm] Năng lượng đường [W/mm3] Mật độ nguồn nhiệt hàn phía trước [W/mm3] Mật độ nguồn nhiệt hàn phía sau [W/mm3] Hàm mật độ nguồn nhiệt QR
Rong [mm] Chiều rộng biên dầm
Hàn hồ quang dưới lớp thuốc SAW
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SEM
Ứng suất tương đương (Equivalent Stress) Seqv
[oC] Nhiệt độ T
Biến thời gian t
[s] [oC] Nhiệt độ của môi trường TB
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
TIG Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ
[J] Công khả dĩ U
[V] Điện áp hàn Uh
[mm] Độ võng cực đại Umax
Công do ngoại lực tác động V
[J] [mm3] Thể tích của phần tử hữu hạn Ve
[mm/s] Vận tốc hàn Vh
Hàm điều kiện giới hạn cả cận trên và cận dưới Wk(x)
Pháp tuyến động của bề mặt phần tử wn
Véc tơ biến thiết kế x
Hàm phạt
Hằng số phương án thiết kế tốt nhất X x(b)
[MPa] Giới hạn chảy YS
Các sai số cho phép của các hàm điều kiện αi, βj, γk
Số dương rất nhỏ ε
Biến thiết kế ρi
ix
τ Dung sai của hàm mục tiêu
[s] Thời gian ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) τ0
[s] τR Thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng)
x
19 19 22 23 23 32 35 37
49
49
54 55 57 67 75 77
80 83 91 92 95 95
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm AA1100 Bảng 2.2 Cơ tính của nhôm AA1100 Bảng 2.3 Chọn cỡ chụp khí theo đường kính điện cực vonfram Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép CCT38 Bảng 2.5 Cơ tính của thép CCT38 Bảng 2.6 Độ cứng tế vi của các pha liên kim giữa Fe và Al Bảng 2.7 Ký hiệu của các hợp chất liên kim 3 nguyên hệ Al-Fe-Si Bảng 2.8 Dây hàn TIG nhôm phù hợp tương ứng với KLCB Bảng 2.9 Thành phần hóa học của một số dây hàn cho nhôm theo tiêu chuẩn AWS A5.10-1980 37 Bảng 2.10 Cơ tính đạt được khi hàn nhôm AA1100 bằng các dây hàn khác nhau 37 Bảng 2.11 Tổng hợp các yếu tố và giải pháp kỹ thuật khi hàn nhôm với thép 37 Bảng 3.1 Cơ tính của các vật trong liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 Bảng 3.2 Các kích thước của liên kết hàn chữ T trong phương án thiết kế sơ bộ và tải trọng Bảng 3.3 So sánh các kích thước của kết cấu giữa phương án sơ bộ và phương án tối ưu Bảng 3.4 So sánh kích thước của kết cấu ban đầu và của phương án được chọn Bảng 3.5 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn Bảng 3.6 Mô tả các nút cần khảo sát Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC Bảng 4.2 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng Bảng 4.3 Các chế độ thí nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm Bảng 4.4 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn Bảng 5.1 Kết quả thử kéo 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T Bảng 5.2 Kết quả thử bẻ 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T Bảng 5.3 Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC Bảng 5.4 Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC
xi
Trang
21 27 27 27
29 29 30 30 31
50
1 Hình 0.1 Dự án SuperLightCar với nhiều loại vật liệu 2 Hình 0.2 Sơ đồ kết cấu của tàu tuần tra cao tốc vỏ nhôm Hình 0.3 Liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T 2 Hình 1.1 Liên kết hàn nhôm-thép dạng chữ T có sử dụng dải vật liệu trung gian 3 lớp 5 7 Hình 1.2 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng năng lượng nổ 8 Hình 1.3 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng ma sát ngoáy 9 Hình 1.4 Hàn liên kết giáp mối dạng thanh, ống nhôm-thép bằng ma sát quay 10 Hình 1.5 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Xung từ 11 Hình 1.6 Hàn điểm liên kết chồng nhôm-thép có sử dụng vật liệu trung gian Hình 1.7 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Laser 12 13 Hình 1.8 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng hàn tổ hợp Laser+MIG Hình 1.9 Nguyên lý hàn MIG và liên kết chồng nhôm-thép thực hiện bằng hàn MIG 14 Hình 1.10 Nguyên lý hàn TIG & liên kết nhôm-thép thực hiện bằng hàn TIG 15 Hình 2.1 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm theo các nguyên tố hợp kim chủ yếu 19 19 Hình 2.2 Đặc điểm khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện Hình 2.3 Khả năng hòa tan của Hydro trong nhôm nguyên chất 20 Hình 2.4 Độ nhạy cảm nứt của kim loại mối hàn theo loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp kim Hình 2.5 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn Hình 2.6 Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim loại Hình 2.7 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại Hình 2.8 Sơ đồ khuếch tán nguyên tử và tiết pha mới tại vùng biên giới thép CCT38 - KLMH Hình 2.9 Hệ số khuếch tán vào nhôm của một số kim loại Hình 2.10 Khả năng hòa tan vào nhôm của một số kim loại Hình 2.11 Cấu trúc mạng tinh thể của liên kim AlFe3 và ôxit nhôm Hình 2.12 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Al Hình 2.13 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong vật liệu hàn đến chiều dày của lớp IMC và độ bền của liên kết hàn nhôm – thép khi hàn TIG 33 34 Hình 2.14 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Al-Si 35 Hình 2.15 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Si Hình 2.16 Giản đồ trạng thái của hệ Al-Fe-Si tại nhiệt độ 600oC 36 48 Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán tính tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép Hình 3.2 Sơ đồ tính toán liên kết hàn nhôm – thép dạng chữ T 49 Hình 3.3 Mô hình PTHH của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T ở phương án sơ bộ Hình 3.4 Ứng suất tương đương σe trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án sơ bộ Hình 3.5 Độ võng Uy của liên kết hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án sơ bộ Hình 3.6 Các phương án thiết kế và xác định phương án tối ưu 51 52 53
xii
63
65 66
67
68
69
71
72
73
54 Hình 3.7 So sánh phương án sơ bộ ban đầu a) và phương án tối ưu b) 55 Hình 3.8 Kết quả tính cạnh mối hàn (Kmh) 55 Hình 3.9 Kiểm tra điều kiện bền của phương án lựa chọn cuối cùng Hình 3.10 Kiểm tra độ võng Uy của phương án lựa chọn cuối cùng 56 57 Hình 3.11 Mô hình nguồn nhiệt hàn MMA/TIG/MIG/MAG Hình 3.12 Mô hình nguồn nhiệt rút gọn hàn MMA/TIG/MIG/MAG theo Goldak 57 Hình 3.13 Khối lượng riêng của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) 58 Hình 3.14 Mô đun đàn hồi của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) 58 Hình 3.15 Nhiệt dung riêng của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) 58 Hình 3.16 Hệ số dẫn nhiệt của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) 59 59 Hình 3.17 Mô hình khối của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T 59 Hình 3.18 Mô hình PTHH của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Hình 3.19 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn hybrid nhôm-thép chữ T 60 60 Hình 3.20 Sử dụng các kỹ thuật "khởi động nóng" và "giảm dòng hàn" 61 Hình 3.21 Các bề mặt và hàm trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh 61 Hình 3.22 Các vị trí kẹp chặt khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T Hình 3.23 Quy ước góc nghiêng của mỏ hàn Ay trong Sysweld 62 Hình 3.24 Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trên tiết diện ngang của liên kết hàn khi hàn ở cùng chế độ P=2100W, Vh=3mm/s Hình 3.25 Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T khi nguồn nhiệt di chuyển đến giữa mô hình (P=2400W, Vh=3,5mm/s) 64 Hình 3.26 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang liên kết hybrid nhôm – thép chữ T khi hàn với công suât nhiệt hiệu dụng P=2400W, vận tốc hàn Vh=3,5mm/s 64 Hình 3.27 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở các chế độ công nghệ khác nhau Hình 3.28 Vị trí của các nút cần phải kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn Hình 3.29 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3mm/s Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3,5mm/s Hình 3.31 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=4mm/s Hình 3.32 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại tại các nút khảo sát trên tiết diện ngang của liên kết hàn hybrid nhôm-thép dạng chữ T dày 5mm 70 Hình 3.33 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán tại các nút trên bề mặt tấm thép CCT38 trong tiết diện ngang của mối hàn hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm Hình 3.34 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn (tại nút 2124 nằm trong mối hàn) Hình 3.35 Phân bố ứng suất trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T sau khi hàn 1 phía với năng lượng đường q = 680 J/mm Hình 3.36 Biến dạng sau khi hàn 1 phía liên kết hybrid nhôm – thép chữ T với năng
xiii
80 81
82
89
90
91 92 93 94 95 95
73 lượng đường q = 680 J/mm Hình 4.1 Thiết bị hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC của hãng Kemppi – Phần Lan 75 76 Hình 4.2 Đồ gá hàn đa năng và xe hàn tự hành 78 Hình 4.3 Các mẫu phôi thí nghiệm Hình 4.4 Sơ đồ gá kẹp mẫu hàn khi thí nghiệm 79 Hình 4.5 Biểu đồ tín hiệu dòng hàn xung AC khi hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG Hình 4.6 Các sơ đồ thử kéo và thử bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T Hình 4.7 Chuẩn bị các mẫu để thử kéo và bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Hình 4.8 Đồ gá mẫu thử kéo liên kết hàn chữ T và lắp ráp trên máy kéo – nén 82 vạn năng CNC 83 Hình 4.9 Bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Hình 5.1 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết 86 Hình 5.2 Hiện tượng nứt trên gianh giới KLMH và tấm thép khi hàn ở chế độ hàn 2 88 Hình 5.3 Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Hình 5.4 Biên bản thử kéo mẫu K03 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm Hình 5.5 Biên bản thử bẻ mẫu U02 liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm Hình 5.6 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm Hình 5.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 Hình 5.8 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 Hình 5.9 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết không có lớp IMC (x500) Hình 5.10 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết có lớp IMC (x500) Hình 5.11 Cấu trúc siêu tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 96 dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 97 Hình 5.12 Phân tích thành phần kim loại trong lớp IMC 98 Hình 5.13 Phân tích thành phần nguyên tố trong lớp ôxit sắt 99 Hình 5.14 Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC Hình 5.15 Phổ phân bố của từng nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC 100 Hình 5.16 Thành phần nguyên tố tại các vị trí khảo sát trong vùng liên kết không 101 chứa lớp IMC Hình 5.17 Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết có chứa lớp IMC 102 Hình 5.18 Phổ phân bố của từng nguyên tố trong vùng liên kết có chứa lớp IMC 103 Hình 5.19 Thành phần nguyên tố tại các vị trí khảo sát trong vùng liên kết có chứa lớp IMC 104
xiv
Đồng hành với những thay đổi về nhu cầu sử dụng các vật liệu nhẹ kể trên, các công nghệ chế tạo cũng đòi hỏi phải có những nghiên cứu phát triển thỏa đáng để đáp ứng được các yêu cầu mới của quá trình sản xuất. Trong số đó, công nghệ hàn cũng cần phải được đầu tư nghiên cứu phát triển để có thể chế tạo được các kết cấu nhẹ từ các vật liệu kể trên nhằm đáp ứng các nhu cầu của công nghiệp và đời sống.
Tuy nhiên, theo một số tài liệu đã công bố [1, 11, 56, 12], việc thay thế kết cấu hoàn toàn bằng vật liệu nhẹ đôi khi lại không đáp ứng được các yêu cầu sử dụng khác của phương tiện (do độ bền chịu tải của kim loại nhẹ thường không cao). Do vậy mà người ta chỉ tập trung vào thay thế vật liệu nhẹ cho những kết cấu/bộ phận không chịu lực hoặc chịu lực nhỏ, còn với các kết cấu chịu lực lớn, chịu lực chủ yếu thì vẫn phải sử dụng thép hoặc hợp kim có độ bền cao (hình 0.1).
Ngoài khai thác các ưu điểm về trọng lượng, người ta còn có thể kết hợp khai thác các đặc tính đặc biệt khác của vật liệu nhẹ như khả năng chịu ăn mòn trong một số môi trường, tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, không bị nhiễm từ,… để chế tạo thiết bị trong các ngành nhiệt - lạnh, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm,...
Từ đây, một yêu cầu mới được đặt ra là phải nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để có thể hàn hai loại vật liệu khác nhau với nhau. Cụ thể đối với tàu cao tốc trọng tải tương đối lớn thì khung vẫn phải sử dụng thép, còn vỏ tàu có thể được thay thế bằng hợp kim nhôm và việc hàn nhôm (vỏ tàu) với dàn khung thép ở dạng liên kết chữ T (hình 0.2) là một vấn đề mới được đặt ra, cần phải được nghiên cứu giải quyết.
Cũng xuất phát từ đó mà ý tưởng nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích hợp để thực hiện hàn nhôm với thép ở dạng liên kết chữ T được hình thành và triển khai trong đề tài “Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG”. Đây là một đề tài mới và rất khó của ngành cơ khí chế tạo, do hàn hai vật liệu rất khác biệt về cấu trúc, chủng loại và tính chất nên sẽ đối mặt với rất nhiều thử thách về kỹ thuật &
1
công nghệ, nhưng nghiên cứu thành công sẽ có rất nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn.
• Mục đích của luận án: - Mục đích chính của luận án này là nghiên cứu tìm ra các giải pháp kỹ thuật & chế độ công nghệ hàn thích hợp để có thể hàn được hai tấm nhôm AA1100 và thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T, hàn kín cả hai phía bằng quá trình hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (TIG).
- Mục đích thứ hai của luận án là chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng quá trình hàn TIG để hàn nhôm với thép ở dạng tấm dày, không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu trung gian, qua đó nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của quá trình hàn TIG trong thực tế sản xuất.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Đối tượng nghiên cứu: luận án này nghiên cứu thực hiện hàn liên kết nhôm – thép trên hình 0.3 bằng quá trình hàn TIG. Đây là liên kết hàn dạng chữ T, được làm từ 2 loại vật liệu khác nhau hoàn toàn về cấu trúc, chủng loại và tính chất. Tấm đứng (vách) được làm từ thép cacbon thấp CCT38, còn tấm nằm ngang phía dưới (biên) được làm từ nhôm AA1100. Mối hàn được thực hiện sẽ là mối hàn lai ghép (hybrid), theo cách: liên kết giữa kim loại mối hàn (KLMH) với tấm biên (nhôm AA1100) ở dạng hàn nóng chảy (theo cơ chế hòa tan - kết tinh), còn liên kết giữa KLMH với tấm vách (thép CCT38) ở dạng hàn vảy (vật liệu tấm vách không bị nóng chảy, liên kết hoàn toàn theo cơ chế khuếch tán - kết tủa). Để cho dễ hiểu, từ đây về sau ta gọi liên kết hàn trên hình 0.3 là liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T.
Yêu cầu đặt ra là cả hai phía “hàn nóng chảy” và “hàn vảy” nêu trên phải được thực hiện đồng thời trong cùng một quá trình hàn, tại cùng một thời điểm. Để thực hiện được điều này, đòi hỏi chúng ta phải khống chế chặt chẽ, chính xác và tinh tế chế độ nhiệt hàn, nhằm đảm bảo sao cho ở phía tiếp giáp với tấm biên nhiệt độ phải đạt tới nhiệt độ nóng
2
chảy của nhôm AA1100 (khoảng 660oC), còn ở phía tiếp giáp với tấm vách nhiệt độ không được vượt quá nhiệt độ nóng chảy của thép CCT38 (khoảng 1450oC). - Phạm vi nghiên cứu: qua nghiên cứu tìm hiểu các quá trình hàn hồ quang thông dụng, ta thấy rằng việc kiểm soát chế độ nhiệt của quá trình hàn TIG (đặc biệt TIG xung) là thuận lợi hơn cả, trong khi thiết bị lại sẵn có ở Việt Nam, do vậy tác giả sẽ hướng đến việc sử dụng quá trình hàn TIG để nghiên cứu trong phạm vi của bản luận án này. Mặt khác, do sự đa dạng của vật liệu và tính phức tạp của vấn đề nghiên cứu, bản luận án này được giới hạn nghiên cứu trên cặp vật liệu nhôm AA1100 với thép CCT38. Quy mô nghiên cứu của luận án được xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm. • Phương pháp nghiên cứu:
Vì đây là vấn đề rất mới và phi tiêu chuẩn, do vậy nếu chỉ nghiên cứu lý thuyết + thực nghiệm đơn thuần thì sẽ mất rất nhiều thời gian và đặc biệt là rất tốn kém về mặt chi phí thực nghiệm. Trong khi đó, hiện tại lại có sẵn các công cụ tính toán hiện đại (máy tính điện tử và phần mềm Sysweld (bản quyền) chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn), vì vậy để nhanh đạt đến đích do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng thông số công nghệ không phù hợp và đặc biệt là tiết kiệm các chi phí thực nghiệm, tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng số + thực nghiệm. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài ở trong và ngoài nước. Từ đó xác định rõ những gì đã được công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. Đồng thời tiến hành khảo sát, tìm hiểu về cơ sở vật chất và các trang thiết bị sẵn có trong nước để lựa chọn thực hiện luận án.
- Nghiên cứu kỹ các lý thuyết về ứng xử của kim loại cơ bản trong quá trình hàn và công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại (ở đây tập trung chủ yếu vào việc hàn nhôm với thép) để qua đó đề ra các giải pháp kỹ thuật & công nghệ thích hợp nhằm thực hiện hàn thành công liên kết hàn đã chỉ định.
- Sử dụng phương pháp mô phỏng số để khoanh vùng và định lượng (trước) các thông số công nghệ thích hợp. Các kết quả mô phỏng sau đó làm cơ sở cho việc thiết lập các thông số khi thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng hình thành liên kết hàn cũng như chất lượng của mối ghép. - Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm đạt được các kết quả kỳ vọng. - Sử dụng các thiết bị đo, phân tích và phần mềm hiện đại hiện có ở Việt Nam để đo đạc và đánh giá kết quả bảo đảm độ tin cậy.
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: a) Ý nghĩa khoa học của luận án: - Nghiên cứu hệ thống hóa và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, đồng thời thông qua nghiên cứu khảo sát cấu trúc kim loại giữa tấm thép CCT38 và kim loại mối hàn (KLMH) để xác định và làm rõ về cơ chế, điều kiện và khả năng hình thành liên kết kim loại giữa các vật liệu khác chủng loại, làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn nóng chảy (TIG). - Xác định được ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng chữ T, làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm thành công mối ghép.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với các yếu tố quyết định tới khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38, từ đó lựa chọn được vùng thông số công nghệ phù hợp, đảm bảo tạo ra được liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38.
3
- Kết hợp phương pháp nghiên cứu mô phỏng số với thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả nghiên cứu và đặc biệt là tiết kiệm các chi phí thực nghiệm.
b) Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng thành công quá trình hàn TIG để hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T tấm dày, hàn cả hai phía, không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu trung gian, góp phần tự chủ khoa học công nghệ nội sinh mà không phụ thuộc vào bí quyết công nghệ của nước ngoài.
- Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu phát triển công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại ở Việt Nam, để chế tạo các chi tiết, các sản phẩm mà trong đó phối hợp sử dụng nhiều loại vật liệu – một lĩnh vực đang có nhu cầu ứng dụng rất lớn và đa dạng trong công nghiệp và đời sống. - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng vào việc chế tạo các tàu, xuồng vỏ nhôm cỡ nhỏ và/hoặc ứng dụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt.
- Kết quả nghiên cứu cũng có thể ứng dụng trong một số ngành công nghiệp khác như: chế tạo máy, chế biến dầu khí, hóa chất và dược phẩm, xây dựng các công trình biển làm việc trong điều kiện ăn mòn hoá học cao, công nghiệp sản xuất điện, công nghiệp hàng không vũ trụ và kỹ thuật quân sự.
• Các đóng góp mới của luận án: 1) Xây dựng được chương trình tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T (một dạng kết cấu mới, phi tiêu chuẩn).
2) Mô phỏng được quá trình hàn TIG cho liên kết lai ghép giữa 2 loại vật liệu rất khác biệt về chủng loại và tính chất đó là nhôm với thép ở dạng chữ T, để từ đó đánh giá được khả năng hình thành liên kết hàn và dự báo các khuyết tật ngoại dạng.
3) Xây dựng được mối quan hệ giữa năng lượng đường với các yếu tố quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38, từ đó lựa chọn được dải năng lượng đường phù hợp đảm bảo tạo ra được liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG.
4) Tìm ra được các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp để thực hiện được liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T tấm dày, hàn cả 2 phía, không sử dụng thuốc hàn, không mạ hay sử dụng vật liệu trung gian bằng quá trình hàn TIG.
• Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về hàn nhôm với thép. Chương 2: Cơ sở khoa học hàn nhôm với thép. Chương 3: Mô phỏng số xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T. Chương 5: Kết quả nghiên cứu và bàn luận. Kết luận chung của luận án và kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo. Danh mục các tài liệu tham khảo. Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
4
Chủ đề hàn nhôm với thép đã được đề cập từ khá lâu, đã có khá nhiều tác giả nghiên cứu, song cho đến nay nó vẫn còn là một vấn đề mang tính thời sự do các kết quả nghiên cứu vẫn chưa đạt được sự mỹ mãn so với các yêu cầu ngày càng cao và đa dạng của công nghiệp và đời sống.
Để tránh việc nghiên cứu bị trùng lặp nhằm bảo đảm tính mới mẻ, phần tổng quan dưới đây sẽ đi sâu vào việc phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước đã có cho đến nay về vấn đề hàn nhôm với thép, qua đó sẽ cho thấy những thành tựu khoa học đã đạt được cũng như những vấn đề còn hạn chế, tồn tại cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước:
Trong lĩnh vực chế tạo: Việc nghiên cứu chế tạo xuồng nhôm và tàu nhôm cỡ nhỏ đã được triển khai cách đây một số năm tại một số Công ty đóng tàu thuộc Bộ Quốc phòng, tuy nhiên do là vật liệu hoàn toàn bằng nhôm nên chỉ đóng được tàu/xuồng cỡ nhỏ có tải trọng thấp và tốc độ vận hành thấp, chưa đáp ứng được hết các yêu cầu của tàu cao tốc phục vụ công tác tuần tra, cứu hộ trên biển ở khoảng cách xa bờ (chịu lực lớn, tốc độ cao, có thể được trang bị cả vũ khí, khí tài quân sự).
Vài năm gần đây, cũng tại một số Công ty đóng tàu của Quân đội (Công ty đóng tàu 189, Công ty đóng tàu Hồng Hà,...) đã tiến hành chế tạo các loại tàu cao tốc vỏ nhôm với tải trọng lớn hơn, tuy nhiên việc hàn trực tiếp nhôm với thép vẫn chưa được triển khai. Để chế tạo các liên kết nhôm – thép dạng chữ T, người ta phải nhập từ nước ngoài các dải vật liệu trung gian 2 lớp: nhôm - thép (Bimetal) hoặc 3 lớp: hợp kim nhôm - nhôm - thép (Trimetal) – được chế tạo bằng quá trình hàn nổ, sau đó tiến hành hàn nhôm với nhôm và thép với thép như cách làm thông thường (hình 1.1).
Cách làm này tuy có bảo đảm được chất lượng và độ tin cậy yêu cầu, nhưng làm phức tạp cho kết cấu, tốn nhiều chi phí và thời gian chế tạo do số mối hàn tăng gấp đôi, phải gia công nhiều và đặc biệt là mất chi phí và thời gian nhập khẩu các dải vật liệu trung gian.
Trong lĩnh vực nghiên cứu: Việc nghiên cứu công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại và khác nhóm cấu trúc chưa được quan tâm và thực hiện nhiều ở Việt Nam, trong khi khả năng ứng dụng của chúng là rất lớn và đa dạng. Tác giả Hà Minh Hùng (Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương) và các cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng năng lượng thuốc nổ ở quy mô phòng thí nghiệm và đã đạt được nhiều tiến bộ về chất lượng mối ghép [2, 3], tuy nhiên phương pháp hàn nổ mà các tác giả thực hiện chỉ là để tạo ra các ống, thanh và tấm vật liệu bimetal hoặc trimetal (liên kết chồng) chứ không thuộc phạm vi trực tiếp chế tạo kết cấu hàn như đề tài luận án này đề cập.
5
Gần đây nhất (năm 2012), hãng Honda (thực hiện tại Tokyo – Nhật Bản) cũng đã nghiên cứu thành công công nghệ hàn nhôm với thép [61] ứng dụng trong ngành chế tạo xe hơi (dự kiến sẽ ứng dụng trong xe Accord phiên bản 2013) bằng một biến thể của hàn ma sát ngoáy chứ không phải bằng năng lượng của hồ quang điện như đề tài luận án này.
Cho đến nay, tại Việt Nam chưa có tác giả nào nghiên cứu công nghệ hàn hồ quang để tạo kết cấu hàn nhôm với thép, do đó việc đầu tư nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để hàn kết cấu nhôm với thép bằng quá trình hàn hồ quang là rất mới, rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao trong điều kiện thực tế hiện nay ở Việt Nam. 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Việc nghiên cứu chế tạo các kết cấu từ vật liệu nhẹ đã được triển khai từ khoảng hơn chục năm trở lại đây và đã đạt được những thành tựu rất khả quan. Cụ thể là các hãng chế tạo ôtô (Mercedes Benz, BMW, Audi), tàu hỏa (ICE, TGV),… đã rất thành công trong việc chế tạo các mẫu phương tiện có vỏ bằng hợp kim nhôm với nhiều tính năng kỹ thuật nổi trội hơn nhiều so với các mẫu vỏ thép trước đó. Trong đó để hàn nhôm với thép, người ta đã áp dụng rất nhiều quá trình hàn đặc biệt khác nhau cùng với rất nhiều nghiên cứu có giá trị của nhiều tác giả.
Để có bức tranh tổng quát về khả năng hàn nhôm với thép, dưới đây sẽ thống kê tất cả các quá trình hàn có thể thực hiện được việc hàn nhôm với thép cùng với những nghiên cứu tiêu biểu, từ đó có thể rút ra các ưu và nhược điểm của chúng. Trong số đó, nhóm các quá trình hàn hồ quang – liên quan trực tiếp đến đề tài của luận án – sẽ được phân tích, đánh giá một cách tỉ mỉ nhằm tìm ra những vấn đề còn tồn tại, hạn chế cần nghiên cứu, giải quyết tiếp. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Nổ:
Hiện nay đã có rất nhiều tác giả và công trình nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn nổ để hàn nhôm với thép, trong đó điển hình là các tác giả trong các tài liệu [4, 14, 15]. Quá trình hàn nổ (explosive welding process) sử dụng năng lượng nổ của thuốc để tạo ra động năng rất lớn cho tấm vật liệu phía trên nằm cách tấm dưới một khoảng cách phù hợp (hình 1.2). Với động năng rất lớn này, tấm vật liệu phía trên sẽ va đập xuống tấm dưới với những xung lực cực lớn, làm cho bề mặt tiếp giáp giữa hai tấm vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo (có thể có chỗ nóng chảy cục bộ ở mức tế vi) qua đó giúp chúng hòa trộn, khuếch tán sang nhau để tạo ra liên kết hàn. Ở những vị trí quá nhiệt, do lượng nguyên tố khuếch tán sang nhau vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa tạo ra các pha mới (thường là các tổ chức liên kim - Intermetallic Compound - IMC).
Yêu cầu của quá trình hàn này là một vật liệu phải có độ dẻo cao (như nhôm, đồng,… chẳng hạn). Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hàn nổ rất thích hợp để hàn nhôm với thép, liên kết hàn nhận được có độ bền chắc cao, trong đó các hợp chất liên kim loại (IMC) xuất hiện trên gianh giới giữa nhôm và thép ở dạng màng mỏng và không liên tục tạo ra liên kết hàn có cơ tính tốt. Đặc điểm tổng quát của quá trình hàn nổ có thể được tóm tắt như sau: * Ưu điểm của hàn nổ:
- Thích hợp để hàn liên kết chồng cho các chi tiết dạng tấm, thanh và ống để chế tạo vật liệu nhiều lớp kim loại khác nhau như Bimetal, Trimetal.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt thích hợp cho hàn nhôm với thép. Ngoài ra hàn nổ còn được ứng dụng để hàn các hợp kim đặc biệt ứng dụng trong đóng tàu, hóa chất, dầu khí, dược phẩm…
- Chất lượng liên kết hàn rất tốt và năng suất rất cao do thời gian hàn cực nhanh.
6
* Nhược điểm của hàn nổ:
- Biến dạng cơ – nhiệt rất lớn nên phải trải qua công đoạn cán phẳng hoặc là phẳng sản phẩm sau khi hàn. Bề mặt của tấm trên, nơi tiếp xúc với thuốc nổ hay có hiện tượng rạn, nứt hoặc thậm chí bị xé rách nếu như chế độ hàn không phù hợp (trường hợp sử dụng lượng thuốc nổ quá lớn).
- Phương pháp hàn này phát xạ độc hại (khói độc, tiếng ồn rất lớn,...). Môi trường sản xuất rất không an toàn và thường được thực hiện trong hầm nổ chuyên dụng đặt trong lòng núi hoặc tại nơi thao trường vắng người.
- Không hàn được các liên kết giáp mối đối đầu cũng như các liên kết góc và chữ T cho các chi tiết dạng tấm như đề tài luận án đề cập. Để thực hiện hàn liên kết nhôm – thép dạng chữ T thì phải thực hiện theo cách như đã mô tả trong mục 1.1 (hình 1.1).
- Phương pháp này có yêu cầu cao về kiến thức và kỹ năng phòng chống cháy nổ của người thao tác.
- Rất tốn kém khi xây dựng phòng nổ chuyên dụng (thường làm hầm nổ trong lòng núi đá). Thiết bị tuy không phức tạp nhưng yêu cầu rất cao về việc sử dụng và bảo quản thuốc nổ.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Ma sát:
Quá trình hàn ma sát cũng là một lựa chọn tốt để tiến hành hàn nhôm với thép. Quá trình hàn này sử dụng lực ma sát lớn để sinh nhiệt tại bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết hàn, đưa vật liệu tại mép hàn đến trạng thái dẻo và sử dụng lực ép lớn để ép vùng kim loại đã dẻo này lại với nhau, qua đó tạo điều kiện hòa trộn, khuếch tán và gắn kết kim loại tạo ra liên kết hàn (các hình 1.3 và 1.4). Yêu cầu của quá trình hàn này là thiết bị phải tạo ra được mô men và tốc độ quay rất lớn để đảm bảo sinh đủ nhiệt, trong khi hệ thống thủy lực phải tạo ra được một lực ép lớn.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng ma sát, trong đó chủ yếu tập trung vào biến thể hàn ma sát ngoáy (friction stir welding process, hình 1.3), mà điển hình là các nghiên cứu trong các tài liệu [4, 16, 17, 18, 19]. Để hàn hai tấm nhôm và thép ở dạng giáp mối, đầu ngoáy được đặt lệch về phía tấm nhôm tại vị trí sao cho chúng vừa đủ chạm vào mép của tấm thép khi ấn xuống. Với tốc độ quay cực lớn cùng với lực ép xuống đủ mạnh của đầu ngoáy, làm cho vùng kim loại cơ bản (KLCB) tiếp xúc với đầu ngoáy sinh ra một lượng nhiệt đủ để làm cho chúng chuyển sang trạng thái dẻo, nhờ đó mà đầu ngoáy có thể cắm sâu hết chiều dày của chi tiết hàn và sau khi đầu ngoáy di chuyển hết chiều dài của đường hàn thì sẽ tạo ra liên kết hàn giáp mối giữa nhôm với thép. Gờ vai ở phía trên của đầu ngoáy sẽ làm nhiệm vụ ép vùng kim loại dẻo này lại với nhau để tạo nên liên kết hàn.
7
Các nghiên cứu nêu trên cũng chỉ ra rằng chất lượng của liên kết hàn nhôm – thép bằng ma sát ngoáy là rất tốt, lớp IMC tuy có xuất hiện nhiều hơn và dày hơn so với hàn nổ nhưng do chúng không liên tục nên liên kết nhận được có cơ tính cao. Các đặc điểm cơ bản của quá trình hàn ma sát ngoáy được tổng hợp dưới đây: * Ưu điểm của hàn ma sát ngoáy:
- Thích hợp để hàn giáp mối hoặc hàn chồng cho các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình), chiều dày lên đến 25mm (tùy thuộc vào công suất máy).
- Chất lượng hàn cao, cơ tính mối hàn rất tốt, biến dạng nhiệt và khuyết tật phía trong mối hàn gần như không có.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa (dùng Robot dạng trạm – Robotic Station). Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động. Thời gian hàn khá nhanh, năng suất cao.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng không, vũ trụ (nhôm, magiê, titan,…).
- Phương pháp hàn này không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ tử ngoại,...). Môi trường sản xuất rất sạch.
- Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn ma sát ngoáy:
- Bề mặt mối hàn bị lõm so với KLCB, có hố lõm rất sâu ở cuối đường hàn nên cần phải làm tai công nghệ khi hàn. Kích thước và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất máy (máy có công suất lớn nhất hiện nay mới hàn được chiều dày 25 mm đối với thép).
- Chi tiết hàn cần phải được kẹp rất chặt và cần phải có giá đỡ ở mặt đối diện để đảm bảo độ cứng vững cho chi tiết hàn khi hàn. Không hàn được kết cấu quá phức tạp. Chỉ hàn được liên kết giáp mối hoặc chồng cho tấm, không hàn được các liên kết dạng góc và chữ T như đề tài luận án này đề cập.
- Thiết bị rất đắt tiền – chủ yếu được thiết kế dưới dạng trạm Robot nên không thích hợp với công việc hàn ở ngoài công trường.
Một biến thể khác của hàn ma sát là hàn ma sát quay (inertia friction welding process, hình 1.4). Trong trường hợp này, một chi tiết được kẹp chặt vào mâm cặp và quay với vận tốc rất lớn, chi tiết còn lại được kẹp chặt trên 1 giá có thể di chuyển theo chiều dọc và được nối với 1 piston thủy lực để tạo lực ép. Khi hàn, hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau ở một tốc độ rất cao cùng với lực ép lớn sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa chúng sinh ra một lượng nhiệt đủ để làm cho phần KLCB ở chỗ tiếp xúc chuyển sang trạng thái dẻo,
8
sau đó hệ thống được phanh lại tức thời và được ép vào nhau với một lực gia cường lớn hơn làm cho 2 vật liệu bị ép chặt, khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn [4].
Biến thể này có những đặc điểm riêng như sau: * Ưu điểm của hàn ma sát quay:
- Thích hợp để hàn liên kết giáp mối đối đầu cho các chi tiết dạng chốt, thanh, ống tròn xoay hoặc không tròn xoay. Có thể hàn thanh với thanh, thanh với tấm, ống với thanh hoặc ống với tấm. Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn chi tiết có tiết diện không tròn xoay hoặc tiết diện đặc biệt).
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Hàn được các hợp kim đặc biệt khác, ứng dụng trong công nghiệp chế tạo ôtô, hàng không,…
- Chất lượng liên kết hàn rất tốt, biến dạng nhiệt và khuyết tật phía trong mối hàn gần như không có.
- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (thường thiết kế máy dạng trạm CNC) và năng suất rất cao. Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động.
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bức xạ tử ngoại,...). Môi trường sản xuất rất sạch. - Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn ma sát quay:
- Mối hàn lồi ra ba via lớn nên phải mất công cắt bỏ (gia công cơ: cắt, tiện, mài). - Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm đi nhiều nên khi thiết kế cần phải có lượng dư lớn. Chỉ hàn được liên kết giáp mối đối đầu cho các chi tiết dạng thanh, ống hoặc chốt. Không hàn được liên kết chữ T cho các chi tiết dạng tấm như luận án đề cập.
- Thiết bị rất đắt tiền – chủ yếu được thiết kế dưới dạng trạm CNC nên không thích hợp với công việc hàn ở ngoài công trường.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Xung từ:
Nhóm tác giả trong các tài liệu [20, 21, 22, 23, 24] đã nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn xung từ (Magnetic pulse welding process). Quá trình hàn này diễn ra như sau: khi một dòng điện có cường độ cao được cấp vào cuộn dây (coil), một từ thông cực mạnh tức thời được tạo ra ở phía tấm nhôm và thâm nhập vào bề mặt tiếp giáp nhôm/thép, một dòng điện xoáy (eddy curent) đi qua chúng sẽ cản trở sự thâm nhập sâu hơn nữa của nó (hình 1.5). Kết quả là một lực điện từ cực lớn tác động vào tấm nhôm và tấm nhôm được gia tốc rất lớn, văng khỏi cuộn dây rồi bay đến va đập rất mạnh vào tấm thép. Tại thời điểm va đập, bề mặt chi tiết được làm sạch bởi một động năng lớn trước khi va chạm. Sau thời điểm va chạm, các bề mặt đã làm sạch đó được ép lại với nhau bởi lực điện từ và giá đỡ, bề mặt tấm nhôm tại chỗ tiếp giáp với tấm thép lúc đó chuyển sang trạng thái dẻo trong khi bề mặt của tấm thép được nung nóng bởi nhiệt năng sinh ra do va đập (cơ năng biến thành nhiệt năng), qua đó giúp chúng hòa trộn, khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn.
9
Có thể thấy rằng cơ chế hình thành liên kết hàn của quá trình này giống với quá trình hàn nổ, chỉ khác nhau ở nguồn năng lượng và diện tích bề mặt liên kết. Cũng giống như quá trình hàn nổ, quá trình hàn xung từ yêu cầu ít nhất một trong hai tấm vật liệu phải có độ dẻo cao.
Quá trình hàn xung từ có những đặc điểm chủ yếu như sau: * Ưu điểm của hàn xung từ:
- Thích hợp để hàn liên kết chồng với đường hàn thẳng, cong, hở hay khép kín cho các chi tiết dạng tấm với chiều dày rất hạn chế.
- Hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau, đặc biệt là hàn nhôm với thép. Chất lượng liên kết hàn tương đối tốt và môi trường sản xuất sạch.
- Dễ kiểm soát và điều khiển quá trình một cách linh hoạt do điều khiển quá trình hoàn toàn bằng điện.
* Nhược điểm của hàn xung từ:
- Không hàn được chi tiết có chiều dày lớn, cũng không hàn được liên kết góc và chữ T cho các chi tiết dạng tấm như đề tài luận án đề cập.
- Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền. Hơn thế nữa, ở Việt Nam hiện nay chưa có bất kỳ một thiết bị hàn xung từ nào nên quá trình hàn này cũng không được lựa chọn trong điều kiên nghiên cứu thực tế ở Việt Nam.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn điện tiếp xúc điểm điện trở:
Theo các tài liệu [25, 26, 27], quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance spot welding process) cũng có thể được điều chỉnh để hàn nhôm với thép. Trong trường hợp này, sử dụng dòng điện lớn vừa phải từ nguồn hàn đi qua điện cực đến chi tiết hàn và xuyên qua bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết hàn (hình 1.6). Do điện trở tiếp xúc giữa hai chi tiết hàn khá lớn nên tại đây một lượng nhiệt điện trở được sinh ra đủ để làm cho vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo, sau đó nhờ lực ép giữa hai điện cực sẽ ép hai tấm vật liệu này lại với nhau, giúp cho các kim loại khuếch tán sang nhau tạo ra liên kết hàn. Khi lượng nguyên tử sắt khuếch tán sang nhôm và ngược lại vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa thành dung dịch đặc thì sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa tạo ra các tổ chức IMC tại bề mặt liên kết.
10
Quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở có những đặc điểm chủ yếu như tóm lược dưới đây: * Ưu điểm của hàn tiếp xúc điểm điện trở:
- Có thể hàn được các kim loại khác chủng loại với nhau như nhôm với thép, nhưng phải sử dụng thêm vật liệu trung gian (ví dụ mạ kẽm hoặc nhôm lên trên tấm thép trước khi hàn nhôm với thép).
- Biến dạng nhiệt tương đối nhỏ. Năng suất cao, dễ cơ khí hóa, tự động hóa. Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động.
- Không phát xạ độc hại (khói độc, bức xạ tử ngoại,...) và môi trường sản xuất rất sạch. - Không cần bổ xung kim loại phụ và không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân.
* Nhược điểm của hàn tiếp xúc điểm điện trở:
- Chỉ hàn từng điểm một cho liên kết chồng các chi tiết dạng tấm. Không hàn được liên kết góc và liên kết chữ T với yêu cầu mối hàn kín như đề tài của luận án đề cập.
- Kích thước và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất và tầm với của máy. Không hàn được kết cấu quá phức tạp.
- Theo tài liệu [25], khi hàn nhôm với thép thì lớp IMC khá dày và rất khó kiểm soát, mối hàn rất dễ bị nứt.
• Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Laser:
Có khá nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng chùm tia Laser để hàn nhôm với thép, mà điển hình là các tác giả trong các tài liệu [4, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 57]. Người ta sử dụng năng lượng của chùm tia sáng đơn sắc, đồng pha và hội tụ ở mật độ cao (chùm tia Laser) để làm nóng chảy tấm nhôm và vật liệu bổ sung, đồng thời cũng nung nóng bề mặt tấm thép (nhưng chưa đến trạng thái nóng chảy) để nhờ đó các kim loại tại bề mặt tiếp giáp giữa mối hàn và tấm thép sẽ khuếch tán sang nhau hình thành lên liên kết hàn vảy (hình 1.7). Còn ở phía tấm nhôm sẽ hình thành liên kết hàn nóng chảy do vật liệu bổ sung và vật liệu cơ bản cùng nóng chảy rồi hòa tan vào nhau sau đó kết tinh thành mối hàn.
Tại bề mặt gianh giới giữa tấm thép và kim loại mối hàn (KLMH), do lượng khuếch tán khá lớn của các kim loại khác biệt về chủng loại nên thường xuất hiện các pha kết tủa ở dạng hợp chất liên kim (IMC). Nguyên lý hình thành liên kết hàn trong trường hợp này giống với kỳ vọng nghiên cứu đã nêu của bản luận án này (xem hình 0.3).
11
Chúng ta thấy rằng, không giống như các quá trình hàn áp lực như: hàn nổ, hàn ma sát, hàn xung từ hay hàn điện tiếp xúc điện trở có kim loại vùng hàn ở trạng thái dẻo (hàn trong trạng thái rắn – solid state welding), quá trình hàn Laser (Laser welding process) luôn tạo ra một vũng hàn ở trạng thái nóng chảy (hàn trong trạng thái nóng chảy – fusion state welding), nên khi hàn các vật liệu khác chủng loại bằng chùm tia Laser thường xuất hiện các hợp chất liên kim dày hơn và liên tục hơn, vì thế mà chất lượng của liên kết hàn nhôm – thép khi hàn bằng chùm tia Laser thường kém hơn so với các quá trình hàn trong trạng thái rắn kể trên.
Quá trình hàn Laser có những đặc điểm chủ yếu sau đây:
* Ưu điểm của hàn Laser:
- Liên kết hàn có biến dạng nhiệt nhỏ do năng lượng đường nhỏ, tổn hao năng lượng thấp. Có thể hàn các liên kết chồng, giáp mối, góc hoặc chữ T.
- Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và bề rộng của mối hàn rất nhỏ do năng lượng tập trung cao (tỷ lệ về chiều sâu và bề rộng của mối hàn có thể lên đến 10:1).
- Tốc độ hàn rất cao (đến 20m/ph) và dễ cơ khí hóa, tự động hóa (điều khiển CNC). - Có thể hàn 1 lượt với chiều dày vật liệu đến 30mm mà không cần vát mép. - Có thể hàn từ tấm rất mỏng đến tấm khá dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh linh hoạt tiêu cự của hệ thống Laser.
- Có phạm vi ứng dụng rộng dãi với dải rộng các vật liệu. Có thể hàn một số kim loại khác chủng loại với nhau, hàn khá tốt nhôm với thép.
- Quá trình hàn không bị tác động bởi từ trường xung quanh. Năng suất hàn rất cao, chất
lượng mối hàn khá tốt. * Nhược điểm của hàn Laser:
- Việc chuẩn bị bề mặt mối ghép phải rất chính xác, các bề mặt cần hàn phải được ép sát vào nhau bằng lực ép lớn.
- Phải sử dụng khí bảo vệ vì tia Laser không có chức năng bảo vệ vũng hàn. - Nguồn hàn bị giới hạn công suất (do hạn chế của công nghệ chế tạo thiết bị Laser). - Vật liệu có khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùm tia laser và làm giảm hiệu quả hàn vì mất mát năng lượng lớn.
- Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rỗ khí và bị giòn. - Bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại,... lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần. - Thiết bị rất đắt tiền – chủ yếu được thiết kế dưới dạng CNC station nên không thích hợp với công việc hàn ở ngoài công trường.
12
Với biến thể hàn lai ghép Laser + MIG (hình 1.8): ngoài những ưu điểm kể trên thì giải pháp này còn có một số ưu điểm nổi bật nữa như cho năng suất rất cao, hàn được tấm dày hơn, có thể hàn với khe hở hàn, khả năng hình thành liên kết tốt hơn. Khi ứng dụng biến thể này để hàn nhôm với thép, cần phải chiếu tia Laser và hướng hồ quang hàn MIG về phía tấm nhôm nhằm bảo đảm cho tấm thép không bị nóng chảy hay quá nhiệt, trong khi dây hàn và một phần tấm nhôm được nấu chảy rồi chảy tràn (thấm ướt) lên trên tấm thép để tạo điều kiện tiếp xúc rộng, tăng khả năng khuếch tán kim loại để hình thành liên kết hàn vảy với chất lượng tốt.
Tuy hàn Laser (đặc biệt là hàn Laser + MIG) có thể ứng dụng để hàn liên kết dạng chữ T như đề tài luận án đề cập, nhưng do điều kiện thực tế không có thiết bị nên quá trình hàn này không được lựa chọn để nghiên cứu trong phạm vi của bản luận án này. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Hồ quang:
Việc sử dụng quá trình hàn hồ quang để hàn nhôm với thép được nghiên cứu rất ít do những khó khăn, trở ngại rất lớn về công nghệ so với các quá trình hàn đặc biệt [28, 29] vì rất khó khống chế và kiểm soát chế độ nhiệt hàn trên phôi trong quá trình hàn. Để thực hiện thành công việc hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn hồ quang, cần phải phối hợp chặt chẽ 5 yếu tố cơ bản gồm: con người, thiết bị, vật liệu, kết cấu và công nghệ.
Vài năm trở lại đây, đã có một số tác giả nghiên cứu về chủ đề này và đã đạt được những thành quả ban đầu. Qua nghiên cứu, đánh giá về các quá trình hàn hồ quang thông dụng hiện nay, có thể nhận thấy rằng chỉ có quá trình hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ (MIG) hoặc quá trình hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ (TIG) là có thể áp dụng được trong trường hợp này do khả năng kiểm soát, điều chỉnh chế độ nhiệt hàn dễ dàng hơn so với các quá trình hàn hồ quang còn lại. Dưới đây sẽ đi sâu phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu tiêu biểu về bài toán hàn nhôm với thép sử dụng năng lượng của hồ quang điện.
a) Hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn MIG:
Tuy hàn MIG có thể kiểm soát chế độ nhiệt hàn và điều chỉnh trong quá trình hàn tốt hơn nhiều so với hàn hồ quang tay (MMA) và hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW), nhưng thua kém so với hàn TIG, do đó mà việc nghiên cứu quá trình hàn MIG để hàn nhôm với thép được triển khai rất ít và gặp rất nhiều khó khăn. Hiện nay mới có một số ít tác giả nghiên cứu quá trình hàn này để hàn nhôm với thép (hình 1.9). Trong số đó, tại trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Dresden (TU Dresden), tác giả Radmila cũng đã nghiên cứu quá trình hàn MIG để hàn liên kết chồng tấm mỏng (1,5 mm) nhôm với thép đã được mạ kẽm và đã nhận được các kết quả bước đầu.
13
Tiêu biểu nhất cho nghiên cứu dạng này có thể kể đến nhóm tác giả trong tài liệu [34], trong đó các tác giả đã thực hiện hàn MIG cho liên kết chồng gồm: tấm nhôm 6K21 dày 1 mm đặt trên tấm thép đã được mạ một lớp nhôm mỏng. Quá trình hàn sử dụng dòng điện xoay chiều, cường độ 50A (điện áp 7V) và vận tốc hàn 50 cm/phút. Kết quả phân tích mẫu hàn cho thấy liên kết hàn đạt được chất lượng khá ấn tượng: độ bền kéo cắt (Tensile shear strength) tại vùng ảnh hưởng nhiệt đạt 200 N/mm2, tại kim loại đắp là 150 N/mm2. Chiều dày của lớp IMC lớn nhất là 20 µm và đặc biệt là trên bề mặt tiếp giáp nhôm/thép có 2 vùng không xuất hiện lớp IMC (điều này rất có lợi về mặt cơ tính).
Hạn chế cơ bản của nghiên cứu này thể hiện ở mấy điểm sau đây: mới thực hiện trên tấm mỏng, liên kết chồng. Tuy sử dụng thép mạ nhôm làm lớp trung gian nên khả năng thấm ướt kim loại và sẽ tạo ra liên kết tốt hơn, nhưng sẽ làm phức tạp về mặt công nghệ, tốn kém trong khâu chuẩn bị phôi và đặc biệt là chỉ thích hợp với hàn chồng (hàn 1 phía) mà rất khó thực hiện hàn cả 2 phía khi ghép dạng chữ T, vì khi đó sau khi hàn xong phía thứ nhất, lớp mạ ở phía thứ 2 nếu không được bảo vệ thì sẽ bị ôxi hóa mạnh do ở nhiệt độ cao và nó có thể bị chảy sụt xuống nếu như nhiệt độ trên tấm thép mạ vượt quá 660oC.
Gần đây nhất, hãng Fronius International GmbH của Cộng hòa Áo đã nghiên cứu phát triển một kỹ thuật mới gọi là kỹ thuật CMT (Cold Metal Transfer) áp dụng cho quá trình hàn MIG để hàn nhôm với thép và đạt được kết quả rất khả quan [58]. Một loạt các nghiên cứu của nhóm tác giả trong hãng Fronius đã khẳng định điều này [62], tuy nhiên các nghiên cứu hiện tại vẫn chỉ là hàn trên liên kết chồng, tấm mỏng như nhóm tác giả trong tài liệu [34]. Khác biệt chính của nhóm tác giả trong tài liệu [58] so với nhóm tác giả trong tài liệu [34] là thực hiện trên tấm thép được mạ kẽm, lớp kẽm khi đó có tác dụng như một dạng “thuốc hàn”. Thành công chủ yếu của công nghệ hàn CMT-MIG này khi hàn nhôm với thép là năng suất hàn rất cao và điều quan trọng là đã hạn chế được khá nhiều bề dày của lớp hợp chất hóa học (liên kim) FexAly, qua đó tăng được độ bền cho liên kết hàn.
b) Hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn TIG:
Trong số các quá trình hàn hồ quang, hàn TIG tuy có năng suất thấp, nhưng đổi lại nó cho chất lượng mối hàn khá cao, đặc biệt là khả năng điều chỉnh và kiểm soát chế độ hàn rất tốt. Hàn TIG có thể thực hiện được ở dải dòng điện rất bé (có thể hàn ở dòng điện 5A) nghĩa là có thể hàn TIG với lượng nhiệt đưa vào (Heat input) rất thấp, do đó sẽ dễ dàng hơn khi ứng dụng để hàn nhôm với thép. Nguyên lý của quá trình hàn TIG và sản phẩm hàn nhôm với thép tiêu biểu được thể hiện trên hình 1.10.
Hiện nay, có một số tác giả đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn TIG với một số chủng loại dây hàn phụ, sử dụng thuốc hàn hoặc lớp mạ trung gian và đã thu được những kết quả ban đầu khá tốt, cụ thể như sau:
14
Nhóm tác giả Honggang Dong, Chuanqing Liao, Guoqing Chen và Chuang Dong trong tài liệu [35] đã tiến hành nghiên cứu hàn TIG cho liên kết giáp mối nhôm – thép mạ kẽm tấm mỏng (dày 1,5 mm) sử dụng dây hàn Al-12%Si và Zn-15%Al với lõi thuốc KAlF4 và CsAlF4 (φ1,8 mm), ở phía đối diện sử dụng một tấm đệm rộng 8 mm có khoét rãnh sâu 1 mm. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khe hở hàn càng lớn thì độ bền liên kết càng cao, tuy nhiên với chiều dày tấm 1,5 mm thì khe hở hàn tối ưu nhất là 1,5 mm. Khi áp dụng xử lý nhiệt sau hàn (Post Weld Heat Treatment - PWHT) ở 280oC trong thời gian 30 phút thì độ bền liên kết tăng mạnh đối với trường hợp sử dụng dây hàn Al-12%Si và giảm nhẹ đối với trường hợp sử dụng dây hàn Zn-15%Al. Việc sử dụng thép mạ kẽm và thuốc hàn tuy có tác dụng làm tăng tính thấm ướt (chảy loang) cho nhôm hợp kim lên trên bề mặt của tấm thép, giúp cho quá trình hàn vảy được thuận lợi hơn nhưng lại gây rỗ cho mối hàn (hình 1.10), rất may là các vết rỗ này thường nằm ở phần lồi của mối hàn nên có thể tiến hành cắt bỏ bằng phương pháp cơ học. Nhược điểm cơ bản của nghiên cứu này cũng giống như nghiên cứu trong tài liệu [34], chỉ thích hợp cho hàn liên kết chồng hoặc giáp mối tấm mỏng (hàn 1 phía) mà không phù hợp đối với liên kết hàn chữ T (hàn cả 2 phía).
Tác giả Simaizumi trong tài liệu [36] có đưa ra giải pháp hàn TIG nhôm với tấm thép đã được mạ nhôm. Nghiên cứu thực hiện với nhiều loại dây hàn phụ thuộc các hệ Al-Si, Al- Cu và Al-Zn với các thành phần hợp kim khác nhau. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng trong số các loại vật liệu bổ sung đó thì loại dây hàn hệ Al-Si cho chiều dày của lớp IMC nhỏ nhất. Công trình nghiên cứu này cũng cho thấy rằng, độ bền kéo của liên kết hàn phụ thuộc rất nhiều vào chiều dày của lớp IMC. Muốn đạt độ bền kéo lớn hơn 150 N/mm2 thì chiều dày của lớp IMC không được vượt quá 10 µm, hay nói cách khác 10 µm là chiều dày tối đa của lớp IMC khi hàn nhôm với thép để đạt được độ bền cao và tránh nứt. Tuy đã đưa ra được nhiều kết quả nghiên cứu có giá trị, nhưng công trình này cũng vẫn dừng lại ở việc áp dụng cho hàn tấm mỏng (< 2 mm).
Nhóm tác giả trong tài liệu [37] đã tiến hành nghiên cứu hàn TIG liên kết chồng, tấm mỏng từ hai vật liệu nhôm và thép mạ kẽm, sử dụng nhiều loại dây hàn phụ khác nhau thuộc các hệ Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu và Zn-Al. Tài liệu này tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong dây hàn phụ đến cấu trúc tế vi của mối hàn và độ bền của liên kết hàn. Nghiên cứu chỉ ra rằng chiều dày của lớp IMC giảm và độ bền kéo của liên kết hàn sẽ tăng lên cùng với sự tăng hàm lượng Si trong mối hàn. Trường hợp dùng dây hàn thuộc hệ Al-Si-Cu sẽ cho chiều dày của lớp IMC nhỏ hơn so với dùng dây hàn hệ Al-Cu và phá hủy trong quá trình thử kéo trước hết xuất hiện tại mối hàn nhưng sau
15
đó chạy xuyên qua vùng IMC. Khi sử dụng dây hàn phụ loại Zn-15%Al thì lớp IMC tại bề mặt gianh giới giữa mối hàn và tấm thép sẽ rất dày và trong mối hàn có tổ chức nhánh cây thô, điều này dẫn đến độ bền của liên kết hàn khá yếu. Hơn nữa, do nhiệt độ nóng chảy và bay hơi của lớp kẽm mạ trên tấm thép rất thấp nên khi hàn chúng rất dễ bị cháy và kết quả là trong mối hàn thường có khuyết tật rỗ.
Một loạt các công trình [38, 39, 40] của nhóm tác giả J. L. Song, S. B. Lin, C. L. Yang và các đồng nghiệp nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn TIG để hàn giáp mối các tấm nhôm khá dày loại 5A06 (nhóm 5xxx) và thép không gỉ SUS321, sử dụng 2 loại dây hàn thuộc các hệ Al-Si và Al-Cu kết hợp với việc sử dụng thuốc hàn loại không ăn mòn. Việc sử dụng thuốc hàn giúp hòa tan lớp màng cacbit và oxit trên bề mặt tấm thép không gỉ để tạo điều kiện liên kết hình thành mối hàn.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khi sử dụng dây hàn hệ Al-Si, loại 4043 (5%Si) thì lớp IMC cho cơ tính tối ưu nhất (độ bền kéo đạt tới 125,2 MPa, độ cứng tế vi khoảng 950 HV đối với lớp hàn thứ nhất và 790 HV đối với lớp hàn thứ 2). Vết nứt thường xuất hiện trong lớp IMC ở biên giới giữa mối hàn và tấm thép. Khi sử dụng dây hàn Al-Si loại 4047 kèm với thuốc hàn không ăn mòn, chiều dày của lớp IMC không đồng đều và nó thay đổi từ 5 µm đến 35 µm và độ bền kéo trung bình đạt được trong trường hợp này là 120 MPa và vết gãy xuất hiện tại lớp bề mặt phân giới. Vết nứt xuất phát từ đỉnh của pha giòn η-Fe2Al5 trong lớp IMC, khi chiều dày của nó vượt quá 10 µm.
Khi sử dụng dây hàn Al-Cu6 kết hợp với thuốc hàn không ăn mòn, chiều dày của lớp IMC trên biên giới giữa mối hàn và tấm thép vào khoảng 3-5 µm (nhỏ hơn so với giá trị giới hạn 10 µm). Độ cứng tế vi trung bình của lớp IMC trong trường hợp này là 644,7 HV so với 104,5 HV của mối hàn và 200 HV của tấm thép. Độ bền kéo đạt được khoảng 172,5 MPa và vết nứt thường bắt đầu xuất hiện tại lớp IMC ở phía đáy của mối ghép rồi chạy vào mối hàn và lên đỉnh của mối ghép.
Ưu điểm nổi bật của nhóm nghiên cứu này là đã tiến hành hàn TIG cho liên kết giáp mối tấm dày (hàn 2 lớp ở cùng một phía), đã đưa ra được giải pháp về vật liệu để khống chế chiều dày của lớp IMC, đưa ra được các dự đoán và cảnh báo về vị trí của vết nứt cũng như vết gãy hỏng khi thử kéo (rất hữu ích cho đề tài nghiên cứu của luận án). Tuy nhiên các bài báo này rất bí ẩn về chế độ công nghệ cũng như các kỹ thuật xử lý cần thiết để tạo được liên kết hàn đạt chất lượng, nên khả năng tiếp thu và kế thừa các thành quả nghiên cứu này vào trong luận án là không đáng kể, cần phải chủ động nghiên cứu để làm chủ công nghệ.
Nhóm tác giả trong các tài liệu [41, 42] thực hiện nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn TIG theo cách như sau: đặt hai tấm thép và nhôm mỏng (dày 1 mm) chồng lên nhau (tấm thép ở trên, tấm nhôm ở dưới), sau đó dùng mỏ hàn TIG để nung lên bề mặt tấm thép, quá trình cấp nhiệt liên tục cho đến khi nhiệt độ tại bề mặt gianh giới giữa hai chi tiết đạt đến nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Các quá trình nghiên cứu đều chỉ ra rằng nếu như để cả thép và nhôm đều nóng chảy hòa trộn vào nhau thì mối hàn sẽ bị giòn và nứt do hình thành các tổ chức liên kim FexAly giữa sắt và nhôm. Nếu như chỉ để nhôm nóng chảy, còn tấm thép không nóng chảy thì tại bề mặt gianh giới giữa hai chi tiết xảy ra quá trình khuếch tán của các kim loại và kết tủa tạo ra lớp IMC có chiều dày khá lớn. Ở đây cần lưu ý là lớp IMC càng dày thì độ bền của liên kết hàn càng kém.
Ngoài ra còn có 2 phương pháp khác có thể tạo ra liên kết giữa thép và nhôm ở trạng thái rắn (solid state) đó là các quá trình hàn khuếch tán (diffusion welding hay diffusion bonding) và quá trình cán dính tấm mỏng nhiều lớp vật liệu (Cladding). Tuy nhiên chúng chỉ tạo ra được các liên kết giáp mối hoặc liên kết chồng nên không thích hợp với đối tượng nghiên cứu của luận án, do đó chúng không được giới thiệu ở đây.
16
Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và các sản phẩm đa chủng loại vật liệu (multi- materials) ngày càng nhiều và đa dạng, do chúng có nhiều ưu điểm nổi bật, đáp ứng tốt các yêu cầu về chế độ làm việc tại từng vị trí cụ thể trong máy hay thiết bị. Đối với các thiết bị vận tải, tàu biển cao tốc, thiết bị điện, hóa chất,… thì nhu cầu sử dụng các chi tiết/bộ phận nối ghép từ các vật liệu nhôm với thép ngày càng gia tăng và phong phú. Do vậy việc đầu tư nghiên cứu công nghệ hàn nhôm với thép như đề tài luận án đề cập là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.
Qua phần nghiên cứu tổng quan chúng ta thấy rằng, cho đến ngày nay đã có một số quá trình hàn có thể hàn nhôm với thép cho chất lượng tốt, tuy nhiên chủ yếu đó là các quá trình hàn đặc biệt (đắt tiền và phức tạp). Mỗi quá trình hàn chỉ có hiệu quả và phù hợp với một dạng kết cấu và dải chiều dày vật liệu nhất định. Xét theo trạng thái hàn, có thể phân loại các quá trình mà hàn được nhôm với thép thành 2 nhóm: nhóm các quá trình hàn ở trạng thái rắn (solid state) và nhóm các quá trình hàn ở trạng thái lỏng (fusion state). Trong đó, nhóm các quá trình hàn nhôm – thép ở trạng thái rắn (hàn nổ, hàn ma sát, hàn xung từ, hàn tiếp xúc điểm điện trở) luôn cho chất lượng liên kết tốt hơn so với nhóm các quá trình hàn ở trạng thái lỏng (hàn Laser, hàn TIG, hàn MIG).
Với kết cấu là liên kết dạng chữ T, yêu cầu hàn cả hai phía và hàn kín như đề tài luận án đề cập thì chỉ có các quá trình hàn Laser và hàn hồ quang (TIG, MIG) là có thể thực hiện được. Do sự phức tạp về hệ thống nên hàn Laser thường chỉ thực hiện được ở trong nhà xưởng, trong khi các quá trình hàn MIG và hàn TIG lại rất cơ động cả trong phân xưởng cũng như ở ngoài công trường. Hơn nữa, do điều kiện nghiên cứu không có thiết bị hàn Laser, nên việc hướng đến nghiên cứu sử dụng quá trình hàn hồ quang (cụ thể là hàn TIG) để hàn nhôm với thép, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn, nhưng lại là thực tế nhất trong điều kiện Việt Nam hiện nay.
Qua phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trong chương tổng quan, kết hợp với phần giới thiệu mở đầu có thể khẳng định rằng đề tài nghiên cứu mà luận án đề cập là rất mới. Chưa có tác giả nào nghiên cứu về liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T ở dạng tấm dày, hàn kín cả hai phía bằng quá trình hàn TIG như đề tài của bản luận án này. Việc nghiên cứu hàn trực tiếp nhôm với thép không mạ, không dùng thuốc hàn và không sử dụng lớp vật liệu trung gian cũng chưa có tác giả nào tiến hành cho nên đây sẽ là nội dung mới, cần phải được tập trung nghiên cứu, giải quyết.
17
Trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm công nghệ hàn liên kết hybrid nhôm – thép như đã giới thiệu, việc nghiên cứu tìm hiểu về các ứng xử của vật liệu diễn ra trong quá trình hàn cùng với các đặc điểm về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Trên cơ sở đó đề ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp và cần thiết để thực hiện thành công mối ghép.
Chương này sẽ tiến hành tóm tắt các lý thuyết một cách cô đọng nhất về hàn thép cacbon thấp và nhôm mà cụ thể là mác thép CCT38 và nhôm AA1100, từ đó rút ra các cơ sở khoa học quan trọng áp dụng trong quá trình thực nghiệm hàn nhôm với thép nhằm đạt được chất lượng mối ghép một cách tốt và nhanh nhất. 2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG
Trước khi tiến hành hàn các vật liệu khác chủng loại, cần phải nghiên cứu đầy đủ các tính chất cũng như ứng xử của từng loại vật liệu sử dụng đối với quá trình hàn cụ thể đã chọn, đồng thời cần nghiên cứu sự tương tác giữa các loại vật liệu đó với KLMH khi hàn bằng quá trình hàn cụ thể. Trên cơ sở đó mới đề ra được các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp cần thiết nhằm tạo ra được liên kết có chất lượng.
2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG 2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100:
Do nhôm có một số tính chất quan trọng như nhẹ (khối lượng riêng của nhôm chỉ bằng khoảng một phần ba của thép), khả năng chống ăn mòn trong các môi trường như không khí, nước, dầu và nhiều hóa chất do có lớp ôxit nhôm bền vững trên bề mặt, mà nhôm được dùng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng (đặc biệt là xu hướng chế tạo các kết cấu kim loại nhẹ). Tính dẫn nhiệt và dẫn điện của nhôm khá cao, nhẹ và rẻ hơn đồng, do đó nhôm ngày càng được dùng nhiều trong các thiết bị điện để thay thế dần cho đồng. Nhôm và hợp kim nhôm không có từ tính, hệ số dãn nở nhiệt của nó cao gấp 2 lần của thép, có độ bền không cao nhưng có tính dẻo tuyệt vời, đặc biệt là ở nhiệt độ dưới 0oC. Tuy nhiên chúng ta có thể tăng được độ bền cho nhôm thông qua hợp kim hóa, biến dạng ở trạng thái nguội, nhiệt luyện hoặc kết hợp đồng thời các biện pháp đó [1].
Tùy theo chủng loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp kim chủ yếu mà nhôm và hợp kim nhôm được chia thành các nhóm như thể hiện trong hình 2.1. Ở đầu ký hiệu người ta sử dụng 2 chữ cái AA (viết tắt của từ Aluminum Association, tiếp đến là dãy 4 chữ số (xxxx). Ngoài ký hiệu chính như vậy, nhôm và hợp kim nhôm còn có thể được ký hiệu bổ sung bằng các chữ cái như sau:
F: ở trạng thái sau khi chế tạo (cán, rèn) O: ở trạng thái ủ H: ở trạng thái biến cứng (bền hóa) bằng biến dạng W: ở trạng thái bền hóa bằng nhiệt luyện dung dịch đặc T: ở trạng thái nhiệt luyện hoặc bền hóa bằng biến dạng Ví dụ: hợp kim nhôm AA2014 T6 là hợp kim nhôm với đồng (loạt 2xxx) dưới dạng dung dịch đặc đã được nhiệt luyện và hóa già nhân tạo.
18
Vật liệu cơ bản AA1100 %Si %Fe 0,95 (Si + Fe) %Cu 0,05-0,2 %Mn 0,05 %Zn %Khác %Al 99 0,15 0,1
Cơ tính của nhôm AA1100 được cho trong bảng 2.2 dưới đây:
Trạng thái Độ bền kéo [MPa] Giới hạn chảy [MPa]
Ủ 89,6 35 Độ giãn dài tương đối [%] 15 - 28
Trên hình 2.2 mô tả ứng xử của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm 5xxx (hệ hợp kim Al-Mg). Chúng ta thấy rằng tại vùng ảnh hưởng nhiệt của liên kết hàn xảy ra hiện tượng kết tinh lại, trong đó vùng sát mối hàn sẽ có hạt thô còn vùng sát KLCB hạt tương đương với cỡ hạt trong KLCB nhờ quá trình hồi phục.
19
1. Khi hàn, dễ xuất hiện ôxit Al2O3 (có nhiệt độ nóng chảy 2050oC so với 660oC của nhôm, có khối lượng riêng lớn hơn nhôm – 3,6 g/cm3 so với 2,7 g/cm3). Do đó có thể xảy ra các hiện tượng như cạnh mối hàn khó nóng chảy, lẫn xỉ trong khi hàn. Vì vậy yêu cầu bắt buộc là trước khi hàn phải khử lớp màng oxit nhôm (bằng cơ học, hóa học hoặc hồ quang điện). Các biện pháp cơ học thường được sử dụng gồm giũa, cạo, chải bằng bàn chải có sợi thép không gỉ. Các biện pháp hóa học gồm: sử dụng dung dịch axit hoặc kiềm. Trong khi hàn còn có thể sử dụng hiệu ứng catot bắn phá lớp màng oxit hoặc thông qua thuốc hàn để hòa tan oxit nhôm tạo thành các chất dễ bay hơi. Thuốc hàn với thành phần 50% KCl + 15% NaCl + 35% Na3AlF2 sẽ tạo phản ứng Al2O3 + 6KCl → 2AlCl3↑+ 3K2O. Sau khi hàn, phải tiến hành khử thuốc hàn dư để tránh hiện tượng ăn mòn kim loại mối hàn.
2. Tại nhiệt độ cao, do độ bền giảm nhanh, tấm nhôm đang hàn có thể bị sụt. Độ chảy loãng cao làm nhôm dễ chảy ra khỏi chân mối hàn. Trong khi đó nhôm không đổi màu khi hàn nên rất khó khống chế kích thước vũng hàn (thường phải dùng các tấm đệm graphit hoặc xông khí bảo vệ).
3. Nhôm và hợp kim nhôm có hệ số dãn nở nhiệt cao, mô đun đàn hồi thấp, nhôm dễ bị biến dạng khi hàn, vì thế phải kẹp chặt bằng đồ gá có hệ số dẫn nhiệt thấp.
4. Nhôm dẫn nhiệt tốt nên khi hàn phải dùng nguồn nhiệt có công suất đủ lớn, tập trung hoặc nguồn nhiệt xung.
5. Kim loại mối hàn dễ bị nứt do cấu trúc hạt hình cột thô và cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp ở tinh giới, cũng như do co ngót lớn (7%) khi kết tinh.
6. Phải làm sạch triệt để mép hàn và dây hàn, không chỉ vì cần khử oxit nhôm, mà dầu mỡ cũng còn là nguyên nhân gây ra rỗ khí (hydro làm giảm độ bền và tính dẻo vì hydro có hệ số khuếch tán thấp trong nhôm, trong khi lại có hệ số hòa tan rất lớn vào nhôm ở trạng thái nóng chảy (hình 2.3) nên sẽ hình thành các bọt rỗ khí). Các bọt rỗ khí chủ yếu xuất hiện tại kim loại mối hàn và vùng viền chảy. Một chú ý rất quan trọng trong quá trình hàn nhôm là phải khử các chất chứa hydro trên bề mặt vật hàn như: dầu, mỡ, sơn, hơi ẩm. Có thể khử bằng hơi nước hoặc dung môi thích hợp và nên tiến hành trước khi lắp ghép hàn.
Mặc dù nung nóng sơ bộ và nung đồng thời trong khi hàn có tác dụng giảm được rỗ khí, nhưng khi hàn nhôm và hợp kim nhôm lại cần tránh nung nóng sơ bộ nếu có thể được, vì nó làm tăng chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt và giảm cơ tính liên kết hàn. Thường các chi tiết dày mới đòi hỏi nung nóng sơ bộ. Thậm chí khi đó thời gian nung nóng sơ bộ cần được hạn chế tối đa. Nhiệt độ nung nóng sơ bộ không nên vượt quá 150oC [1].
20
2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm
Khi hàn nhôm, nếu chọn vật liệu hàn không thích hợp, có thể xảy ra nứt tại kim loại mối hàn do kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt có tính dẻo và độ bền thấp tại nhiệt độ cao (hiện tượng này có thể là nguyên nhân gây ra sụt mối hàn). Để giảm xu hướng nứt giữa các tinh thể trong vùng ảnh hưởng nhiệt, nên dùng vật liệu hàn có nhiệt độ nóng chảy bằng hoặc thấp hơn so với kim loại cơ bản, tức là vật liệu hàn cần phải có thành phần hợp kim cao hơn so với kim loại cơ bản sử dụng.
Trên hình 2.4 là quan hệ giữa khả năng xảy ra nứt nóng và hàm lượng các nguyên tố hợp kim trong kim loại mối hàn. Chúng ta thấy rằng, nếu vật liệu cơ bản có chứa 0,6% Si thì kim loại mối hàn dễ bị nứt khi hàn bằng dây hàn có cùng thành phần hóa học. Khi đó nên chọn vật liệu hàn có chứa 5% Si (có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, do đó dẻo hơn kim loại cơ bản và sẽ biến dạng khi nguội để bù lại ứng suất kéo do co ngót mà lẽ ra có thể gây nứt). Trong nhiều trường hợp, dây hàn Al-5%Si (loại ER4043 theo tiêu chuẩn AWS A5.10) cho mối hàn có tính dẻo và độ bền cao. Tuy nhiên không nên dùng loại dây hàn Al- Si để hàn nhôm Al-Mg vì sẽ xuất hiện cùng tinh của Mg và Si làm giảm tính dẻo và gây nứt.
kim (nguồn: [46]) Tương tự như vậy, Mg và Cu không được đồng thời tồn tại trong mối hàn nhôm, có nghĩa là dây hàn hệ Al-Mg (ví dụ AWS A5.10 ER5356) không nên dùng để hàn hợp kim Al-Cu và dây hàn Al-Cu không được dùng để hàn hợp kim Al-Mg. Khi hàn hợp kim Al-Si bằng dây hàn Al-Si, thành phần hóa học của kim loại mối hàn (có xét tới phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn) cần được tính sao cho có giá trị nằm ngoài dải 0,5-2% Si (vùng dễ gây nứt). Tương tự như vậy, thành phần của kim loại mối hàn hệ Al-Mg không được nằm trong khoảng 0,5-4% Mg. 2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG
Chất lượng bề mặt mép hàn và dây hàn ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, do đó việc chuẩn bị trước khi hàn có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình hàn nhôm và hợp kim nhôm. Trước khi hàn nhôm và hợp kim nhôm, cần phải làm sạch lớp dầu mỡ bảo quản trên bề mặt chi tiết hàn. Dầu mỡ có thể được tẩy bằng axeton hoặc chất dung môi khác
21
trong khoảng rộng từ 100-150 mm tính từ mép chi tiết hàn. Lớp oxit bên dưới lớp dầu mỡ phải được tẩy trong khoảng rộng tối thiểu 25-30 mm bằng phương pháp cơ học (giấy ráp hoặc bàn chải sợi thép không gỉ có đường kính sợi nhỏ hơn 0,15 mm) [1].
Cũng có thể dùng hóa chất để khử oxit nhôm bằng cách tẩm thực (0,5 – 1 phút) trong dung dịch 1 lít nước + 50g NaOH + 45g NaF. Sau đó xối nước (1-2 phút) và trung hòa bằng dung dịch axit nitric 30-35% hoặc dung dịch axit khác. Sau đó xối lại bằng nước và sấy khô bằng không khí nóng 80-90 oC. Sau khi làm sạch bề mặt mép hàn, chi tiết phải được hàn trong vòng 3-4 tiếng đồng hồ. Với dây hàn, ta làm sạch bằng cách rửa bằng dung dịch khử dầu mỡ; tẩm thực trong dung dịch 15% NaOH ở 60-70 oC; rửa trong nước, sấy khô, khử khí ở 350 oC trong 5-10 tiếng đồng hồ trong chân không 10-3 mmHg (0,13 Pa). Cũng có thể thay chân không bằng việc nung trong không khí ở 300 oC trong khoảng thời gian 10-30 phút [1].
Hàn trong môi trường khí bảo vệ là cách thức hàn phổ biến nhất trong chế tạo các kết cấu từ nhôm và hợp kim nhôm. Các phương pháp hàn bao gồm hàn tay hoặc hàn cơ giới bằng điện cực không nóng chảy (TIG), hàn tự động hoặc bán tự động bằng điện cực nóng chảy (MIG). Khí bảo vệ được sử dụng là khí argon loại 1 (99,98%) hoặc helium có độ tinh khiết cao (99,985%); khi hàn bằng điện cực không nóng chảy, có thể dùng hỗn hợp của 2 loại khí đó [46].
Khi hàn TIG, điện cực vonfram có đường kính 2-6 mm được sử dụng cho hàn nhôm loạt 1xxx và hợp kim nhôm có chiều dày đến 12 mm. Khi chiều dày nhỏ hơn 3 mm, có thể hàn một lượt có sử dụng đệm lót. Với chiều dày từ 4-6 mm, nên hàn từ 2 phía và với chiều dày từ 6-7 mm trở lên, cần tiến hành vát mép dạng chữ V hoặc chữ X. Loại dòng điện hàn được sử dụng là dòng điện xoay chiều (AC) hoặc dòng điện 1 chiều đấu cực nghịch (DC+) nhằm mục đích sử dụng hiệu ứng catot để bắn phá lớp màng oxit nhôm trên bề mặt của chi tiết hàn [1].
d [mm] D [mm]
6 16-22
5 14-18
Khi hàn tay, với chiều dày tấm tối đa 5-6 mm, điện cực có đường kính từ 1,5-5 mm. Dòng điện hàn tối đa được chọn theo công thức I = (60÷65).d, với d là đường kính điện cực vonfram sử dụng. Tốc độ hàn dao động trong khoảng 8÷12 m/h (2,22÷3,33 mm/s). Dây hàn phụ sử dụng cho hàn giáp mối có đường kính từ 1-5 mm. Để bảo đảm bảo vệ hữu hiệu vùng hàn cần có một lượng khí bảo vệ tối ưu [1]. Độ tin cậy của quá trình hàn còn phụ thuộc vào đường kính và dạng chụp khí trên mỏ hàn, khoảng cách từ miệng chụp khí đến bề mặt vật hàn,... Ta có thể chọn cỡ đường kính miệng chụp khí D theo đường kính của điện cực vonfram (d) như sau: Bảng 2.3 Chọn cỡ chụp khí theo đường kính điện cực vonfram (nguồn: [1])
4 12-16 Nếu chiều dày tấm nhỏ (0,8-2 mm), cần hàn gấp mép. Khi hàn bằng tay, góc nghiêng giữa điện cực và dây hàn phụ là 90o. Điện cực vonfram không được dao động ngang. Chiều dài hồ quang tối đa nằm trong khoảng 1,5-2,5 mm. Khoảng nhô ra của điện cực khỏi miệng vòi phun của chụp khí là 1-1,5 mm cho trường hợp hàn giáp mối và 4-8 mm cho trường hợp hàn mối hàn góc (liên kết góc và liên kết chữ T).
Để giảm nguy cơ oxi hóa, kích thước vũng hàn phải được giữ ở mức tối thiểu. Với chiều dày tấm dưới 10 mm, hàn thường được tiến hành từ phải sang trái (đối với người thuận tay phải) cho phép giảm mức độ nung nóng kim loại cơ bản. Tốc độ hàn phải tương ứng với chế độ hàn và mức độ tiêu thụ khí bảo vệ. Nếu lưu lượng khí quá lớn, sẽ xuất hiện dòng khí xoáy, làm cho không khí bị hút vào vùng cần được bảo vệ gây ra rỗ trong mối hàn. Lưu lượng khí quá ít hoặc tốc độ hàn quá lớn cũng sẽ làm giảm hiệu quả bảo vệ vùng hàn. Tùy theo mức độ tiêu thụ, áp lực khí argon được điều chỉnh trong khoảng 0,1-0,5 at (0,01-0,05
22
MPa). Khí argon được đưa vào vùng hàn 3-5 s trước và 5-7 s sau khi có hồ quang (thông qua mạch điều khiển và van điện từ của thiết bị hàn) nhằm mục đích bảo vệ điện cực vonfram và vũng hàn [1].
Với hàn cơ giới hóa hay tự động hóa, dây hàn có kích thước lớn hơn so với hàn bằng tay và có thể hàn 1 lượt hoặc hàn từ hai phía. Hàn thường được thực hiện với điện cực ở vị trí thẳng đứng, dây hàn phụ được cơ cấu cấp dây đưa vào sao cho đầu của nó tựa vào mép của vũng hàn. Với các tấm mỏng hay các tư thế khó hàn, nên sử dụng kỹ thuật hàn xung.
2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG 2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38:
Thép CCT38 nghiên cứu trong luận án này thuộc nhóm thép cacbon kết cấu thông dụng (thép cacbon chất lượng thường), loại thép này chỉ qua cán nóng và không nhiệt luyện tại các nhà máy luyện kim. Các kết cấu chế tạo từ loại thép này thường không qua nhiệt luyện sau khi chế tạo. Thành phần hóa học và cơ tính của thép CCT38 được cho trong các bảng 2.4 và bảng 2.5 dưới đây. Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép CCT38 (nguồn: [6])
%P (max) %S (max) Vật liệu cơ bản CCT38 %C 0,14 – 0,22 %Si 0,12 – 0,30 %Mn 0,40 – 0,65 0,04 0,045
Vật liệu cơ bản
CCT38 Độ bền kéo [MPa] 380 - 490 Giới hạn chảy min [MPa] 250 Độ giãn dài tương đối [%] 26
Do thép CCT38 có hàm lượng cacbon thấp, cùng với quá trình chế tạo chỉ qua cán nóng nên thép này có cấu trúc ferrite. Mặt khác, hàm lượng của các nguyên tố hợp kim có lợi như Mn, Si cũng chỉ ở mức rất thấp nên chúng chỉ được coi là tạp chất có lợi và ảnh hưởng của chúng đến tính chất của thép là không nhiều. Các nguyên tố có hại P và S trong thép CCT38 có hàm lượng khá lớn, vì thế mà chất lượng của loại thép này không cao. Các mối hàn từ thép cacbon thấp nói chung không bị nứt nóng, tuy vậy nếu hàm lượng cacbon cao hơn 0,2 % và tấm hàn dày hơn 15 mm thì mối hàn góc một lớp hay lớp hàn cuối cùng vẫn có thể bị nứt nóng do tốc độ nguội lớn (làm tăng tốc độ biến dạng của kim loại trong quá trình mối hàn kết tinh). Biện pháp khắc phục thường được sử dụng là nung nóng sơ bộ chi tiết hàn [1].
Nói chung thép CCT38 có tính hàn rất tốt đối với các quá trình hàn hồ quang thông thường. Theo tài liệu [1], các thép cacbon thấp với hàm lượng cacbon 0,15-0,20% có tính hàn rất tốt và khi hàn không cần sử dụng các biện pháp công nghệ đặc biệt. Tuy nhiên, điều đó chỉ đúng trong trường hợp hàn thép cacbon thấp với thép cacbon thấp (nghĩa là khi hàn các vật liệu cùng chủng loại). Trong trường hợp hàn thép với nhôm (hàn các vật liệu khác chủng loại) thì lại là vấn đề khác, có rất nhiều vấn đề phức tạp phát sinh và các vấn đề này sẽ được nghiên cứu kỹ trong mục 2.3 của bản luận án này. 2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG:
Khi gá lắp trước khi hàn, để bảo đảm độ lớn cần thiết của khe đáy (khe hở hàn) ta có thể sử dụng đồ gá hoặc hàn đính. Trong trường hợp hàn nhôm với thép thì cách tốt nhất là sử dụng đồ gá thay vì hàn đính, vì hàn đính là quá trình thường không ổn định nên rất khó kiểm soát chế độ nhiệt. Để ngăn ngừa rỗ khí, nứt và các khuyết tật khác, trước khi hàn phải làm sạch dầu mỡ, gỉ và các chất bẩn khác bám trên bề mặt của chi tiết cần hàn trong phạm vi rộng ít nhất là 30 mm về mỗi phía của mối hàn (trên toàn bộ chiều dài của đường hàn và theo hướng chiều rộng của mối hàn) [1].
23
Mặc dù hầu hết ứng dụng hàn thép cacbon thấp không đòi hỏi nung nóng sơ bộ, nhưng khi hàn các chi tiết có chiều dày trên 50 mm và những liên kết hàn có độ cứng vững cao thì vẫn cần phải được nung nóng sơ bộ. Việc sử dụng các quá trình hàn ít hydro (MIG, TIG) có thể cho phép giảm nhiệt độ nung nóng sơ bộ của thép CCT38.
Hàn TIG là quá trình hàn cho chất lượng rất tốt trong số các quá trình hàn hồ quang, tuy nhiên nếu chỉ hàn thép CCT38 (thép cacbon thấp) với nhau thì quá trình hàn TIG thường ít khi được áp dụng do có năng suất thấp, chi phí cao và lãng phí về công nghệ. Quá trình hàn này thường chỉ được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ khi hàn đường hàn chân của liên kết giáp mối đường ống công nghệ từ các loại thép, đặc biệt là trường hợp hàn nhôm với thép thì quá trình hàn TIG lại là sự lựa chọn số 1 trong số các quá trình hàn hồ quang.
Do hàn nhôm với thép bằng hồ quang điện là lĩnh vực nghiên cứu rất mới nên hiện tại chưa có lý thuyết mang tính kinh điển để áp dụng. Nghĩa là cần phải được đầu tư nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện công nghệ - đây cũng chính là mục đích chủ đạo của luận án này. 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại
Mặc dù có rất nhiều khó khăn khi hàn, các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại khác nhau về chủng loại có ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp do những ưu điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, năng lượng, đóng tàu, kỹ thuật điện, kỹ thuật hàng không và kỹ thuật tên lửa. Trường hợp điển hình là xu hướng giảm khối lượng gần đây trong chế tạo ôtô và tàu thủy cao tốc,... dẫn đến việc sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau như thép (đặc biệt là thép có độ bền cao) với các vật liệu nhẹ như nhôm, hợp kim nhôm, hợp kim magiê, vật liệu composite,... trong một kết cấu thân xe (hình 0.1). Điều này dẫn đến những đòi hỏi mới đối với công nghệ hàn nói riêng và kỹ thuật nối ghép các loại vật liệu đó với nhau nói chung.
Các kết cấu kim loại khi đó có thể chứa các liên kết hàn từ các thép khác chủng loại với nhau; các liên kết hàn giữa thép với nhôm hoặc hợp kim nhôm, với magiê hoặc hợp kim magiê, với titan hoặc hợp kim titan;... Các cặp kim loại khác chủng loại thường được hàn với nhau bằng các quá trình hàn ở trạng thái rắn (solid state) như đã nghiên cứu kỹ trong chương tổng quan do chúng đạt được chất lượng rất tốt và ổn định. Tuy nhiên trong một số trường hợp với dạng kết cấu đặc thù (về các mặt vật liệu, hình thái kết cấu, yêu cầu của mối ghép,...), các quá trình hàn ở trạng thái rắn lại không đáp ứng được khả năng chế tạo như các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy (fusion state). Do vậy mà các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy khi đó lại được ưu tiên sử dụng để chế tạo sản phẩm. Trong thực tế, các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy hay được sử dụng để hàn các cặp kim loại khác chủng loại gồm các quá trình hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực vonfram (TIG) và điện cực nóng chảy (MIG), hàn bằng hồ quang Plasma hoặc hàn bằng các nguồn tia năng lượng cao như chùm tia Laser và chùm tia điện tử.
Xét về tính hàn, hầu hết các cặp kim loại khác chủng loại có sự khác biệt khá nhiều về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, lý - hóa tính,... và đặc biệt là hệ số dãn nở nhiệt. Chúng cũng có thể còn khác nhau cả về mặt cấu tạo mạng tinh thể và thông số mạng. Với những kim loại có hoạt tính mạnh như titan, niobi, tantan, molybden, do mức độ hòa tan lẫn nhau để tạo thành dung dịch rắn của các kim loại cơ bản không cao, khi hàn còn có thể hình thành các hợp chất hóa học giữa các kim loại (tổ chức liên kim – IMC) với đặc điểm là rất giòn và cứng [1, 56, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 57].
Theo tài liệu [1], quá trình hình thành liên kết hàn vững chắc khi hàn các cặp vật liệu khác chủng loại có thể được tóm tắt trong hai giai đoạn như sau:
24
• Giai đoạn chuẩn bị: các kim loại được đưa tới gần nhau đến khoảng cách đủ để hình thành liên kết giữa các nguyên tử, bằng các cơ chế: quá trình thấm ướt pha lỏng vào bề mặt rắn của kim loại (khi hàn nóng chảy, hàn vảy) hoặc cùng xảy ra biến dạng dẻo hai kim loại ở trạng thái rắn (khi hàn áp lực, cán dính) hoặc thông qua quá trình khuếch tán (khi hàn khuếch tán).
• Giai đoạn kết thúc: hình thành liên kết vững chắc, trong đó các quá trình lượng tử của sự tương tác giữa các điện tử đóng vai trò nhất định, dẫn tới hình thành hoặc liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) hoặc liên kết hóa trị (kim loại, hợp chất hóa học, liên kim, oxit,...).
Công trình nghiên cứu này sử dụng quá trình hàn TIG để hàn cặp nhôm AA1100 với thép CCT38 ở trạng thái nóng chảy, nên trong khuôn khổ của bản luận án này tác giả chỉ trình bày các đặc điểm và cơ chế hình thành liên kết hàn nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy thông qua quá trình thấm ướt kim loại và hoạt hóa bề mặt kim loại bằng nguồn nhiệt của hồ quang điện.
Theo các tài liệu [1, 56, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 57], đối với các giai đoạn tương tác vật lý và hóa học, yếu tố thời gian và các điều kiện xảy ra các quá trình này mang tính quyết định đến độ bền của liên kết hàn và khả năng hình thành các hợp chất hóa học. Sự tiếp diễn của các quá trình tương tác giữa các điện tử tại bề mặt tiếp xúc đòi hỏi phải có một năng lượng kích thích để gây hoạt hóa trên bề mặt. Năng lượng này có thể ở dưới dạng nhiệt năng (hoạt hóa bằng nhiệt), cơ năng (hoạt hóa bằng biện pháp cơ học) hoặc dưới dạng bức xạ (hoạt hóa bằng bức xạ).
Khi hàn các cặp kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, các nguyên tử được đưa gần tới nhau thông qua sự thấm ướt của kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn lên bề mặt đã được hoạt hóa của kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn bằng chính nguồn nhiệt hàn [1].
Trong trường hợp liên kết kim loại khác chủng loại, do sự phục hồi nhiệt nên quá trình khuếch tán bị cản trở và sự tương tác hóa học bị trễ. Nguyên nhân của sự trễ này là tại bề mặt tự do của kim loại rắn hoặc lỏng, các nguyên tử không ở trạng thái cân bằng vì thiếu liên kết hoặc do liên kết yếu dưới tác động của môi trường xung quanh. Điều này làm tăng năng lượng lớp bề mặt (ES) so với năng lượng (E0) cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật.
Khi hàn các kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, do sự hình thành nhanh chóng sự tiếp xúc vật lý giữa kim loại lỏng và kim loại rắn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, trên gianh giới các pha sẽ hình thành đỉnh của năng lượng giữa các pha (EB) vì sự chuyển tiếp của hệ nguyên tử sang trạng thái mới không xảy ra lập tức mà kèm theo sự trễ nhất định. Chính hiện tượng này xác định giai đoạn trễ [1].
Nếu thời gian tiếp xúc của kim loại lỏng và kim loại rắn trong liên kết hàn ngắn hơn giai đoạn trễ, hoàn toàn có thể hình thành liên kết có độ hòa tan hạn chế mà không chứa các lớp hợp chất giòn trung gian (lớp hợp chất liên kim – IMC). Thời gian trễ có thể xác định theo công thức dưới đây:
e(ER+EL)
2kT
τR = τ0exp � Trong đó:
�
(2.1)
τR – thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng) [s]. τ0 – giai đoạn ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) [s]. e – điện tích của điện tử [eV].
25
ER và EL – năng lượng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng [J]. k – hằng số Boltzmann. T – nhiệt độ [oK] hoặc [oC].
Ví dụ: trong trường hợp hàn cặp kim loại nhôm + titan, khi Al lỏng tương tác với Ti được nung nóng (ở trạng thái rắn), giai đoạn trễ (khi trong liên kết chưa tồn tại các pha giòn) kéo dài 170s nếu nhôm lỏng ở nhiệt độ 700oC; 9s ở 800oC và 1s ở 900oC. Với cặp liên kết nhôm + sắt, thời gian trễ này chỉ kéo dài 4s ở 700oC theo tài liệu [1].
Trong nhiều trường hợp khi hàn, khó có thể tránh được sự xuất hiện các pha giòn do diện tích các bề mặt tiếp xúc lớn và sự tiếp xúc không xảy ra cùng một lúc trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc. Để bảo đảm tạo liên kết đủ tin cậy trên toàn bộ các bề mặt tiếp xúc, nhất là đối với các kết cấu lớn thì lớp hợp chất giữa các kim loại (IMC) cần phải đạt được sự đồng đều, nhưng có độ bền không cao.
Để bảo đảm tạo liên kết nhanh và đồng đều của kim loại nóng chảy và kim loại rắn, bề mặt của kim loại rắn cần được nung đến nhiệt độ đảm bảo khả năng khuếch tán, bảo đảm độ sạch bề mặt. Trong trường hợp như vậy, việc tránh sự oxi hóa bề mặt kim loại rắn có tác dụng làm giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho sự tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn (có thể tăng tính thấm ướt và tiếp xúc của kim loại lỏng lên kim loại rắn bằng cách tạo trên bề mặt của kim loại rắn một lớp phủ sơ bộ có hoạt tính).
Khi hàn thép với nhôm, công nghệ truyền thống là sử dụng trên bề mặt thép các lớp phủ bằng kẽm dày 30-50 µm (bằng cách mạ hoặc nhúng nóng kẽm) hoặc lớp phủ bằng nhôm dày 0,1-0,2 mm hoặc các lớp phủ kết hợp đồng – kẽm, niken – kẽm [1].
Ngoài ra còn có thể sử dụng biện pháp hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng một số nguyên tố nhằm làm giảm chiều dày của lớp hợp chất giữa các kim loại có độ cứng cao. Ví dụ, khi dùng dây hàn có chứa 1% Si thì chiều dày lớp hợp chất liên kim (giòn, dễ nứt) là 18-20 µm, khi sử dụng dây hàn có chứa 4-5% Si thì chiều dày của lớp IMC có thể đạt được ở mức 3-5 µm [36].
Từ khía cạnh độ tin cậy của biện pháp bảo vệ kim loại ở nhiệt độ cao, quá trình hàn hồ quang trong môi trường khí trơ được coi là có tính vạn năng nhất, sau biện pháp hàn trong chân không.
2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn
Xét về mặt kim loại học, trong công nghệ hàn, cùng với quá trình biến đổi tổ chức kim loại thì hai quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới cũng là hai quá trình rất quan trọng, quyết định đến việc hình thành tổ chức và tính chất của cả KLMH và vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN, HAZ). Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử (ion, phân tử) do dao động nhiệt, trong đó khuếch tán của nguyên tử A trong nền của chính loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuếch tán, còn khuếch tán của nguyên tử khác loại B có nồng độ nhỏ hơn trong nền A gọi là khuếch tán khác loại. Khuếch tán của cả A và B trong nền A hoặc B gọi là khuếch tán tương hỗ. Trong khuếch tán khác loại và khuếch tán tương hỗ luôn có dòng nguyên tử theo chiều giảm nồng độ [7]. Trên hình 2.5 mô tả 5 cơ chế khuếch tán trong kim loại ở trạng thái rắn. Trong đó các cơ chế đổi chỗ, nút trống, đuổi nguyên tử hay đổi chỗ kiểu vòng thường xảy ra đối với dung dịch đặc thay thế. Cơ chế khuếch tán giữa các nút mạng thường xảy ra đối với dung dịch đặc xen kẽ, trong trường hợp các nguyên tử khuếch tán có đường kính nhỏ hơn nguyên tử nền.
Quá trình khuếch tán kim loại tuân theo các định luật khuếch tán Fick I và II, trong đó để có thể thực hiện được quá trình khuếch tán, các nguyên tử phải có một „hoạt năng“ đủ lớn để thắng được các lực liên kết nguyên tử giữa nó với các nguyên tử bên cạnh.
26
Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại được mô tả trong hình 2.7, trong đó hình 2.7a mô tả kết quả của quá trình khuếch tán với một lượng nhỏ nguyên tử ngoại lai, chỉ đủ hòa tan thành dung dịch đặc mà không hình thành pha mới. Các hình từ 2.7b đến 2.7d mô tả kết quả của quá trình khuếch tán với một lượng lớn nguyên tử ngoại lai vào nền, vượt quá mức bão hòa, đã kết tủa ra pha mới, trong đó dạng pha kết tủa không liền mạng với pha mẹ (hình 2.7d) có liên kết kém nhất.
27
hàn rất đa dạng và phong phú. Trong khuôn khổ của bản luận án này, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu quá trình khuếch tán và tiết pha để tạo ra liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 thông qua các nội dung trình bày dưới đây.
2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép
Hàn vật liệu khác chủng loại và đặc biệt là khác cả nhóm cấu trúc, luôn luôn là một vấn đề rất khó, yêu cầu đồng thời phải giải quyết triệt để rất nhiều vấn đề. Ở phần này chúng ta tập trung nghiên cứu về các ứng xử của vật liệu hàn với kim loại cơ bản khi tiến hành hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG, trong đó tập trung nghiên cứu chủ yếu tại nơi hình thành các pha liên kim cứng và giòn (tại biên giới giữa tấm thép CCT38 và KLMH).
Qua nghiên cứu nhiều tài liệu tham khảo về chủ đề hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy cho thấy rằng, các tác giả chỉ nói đến sự hình thành các hợp chất liên kim (IMC) mà không thấy tác giả nào lý giải đầy đủ về bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này đề cập. Vì thế mà tại đây tác giả luận án đưa ra 1 giả thuyết khoa học để lý giải về cơ chế hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG. Giả thuyết này được chứng minh trong các mục 5.6.2 và 5.9 của bản luận án này. • Trong vũng hàn: do KLMH ở trạng thái nóng chảy, nghĩa là khuếch tán kim loại trong vũng hàn là quá trình khuếch tán ở trạng thái lỏng. Do ở trạng thái lỏng (nhiệt độ cao) nên khoảng cách giữa các nguyên tử kim loại trong vũng hàn tăng lên, lực liên kết giữa các nguyên tử bị yếu đi rất nhiều vì vậy hoạt năng của quá trình khuếch tán sẽ nhỏ, trong khi hoạt năng của các nguyên tử kim loại đang ở mức cao và điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nguyên tử kim loại trong vũng hàn khuếch tán một cách dễ dàng hơn so với ở trạng thái rắn, kết quả vùng khuếch tán là toàn bộ thể tích của vũng hàn [46]. Mặt khác, mặc dù thời gian ở trạng thái lỏng của KLMH rất ngắn, nhưng do thể tích của vũng hàn khá nhỏ nên mật độ phân bố của các nguyên tử kim loại trong KLMH sau khi kết tinh sẽ tương đối đồng đều. • Tại vùng biên giới giữa tấm thép CCT38 và KLMH: Giả thuyết rằng các nguyên tử Fe sẽ khuếch tán từ tấm thép CCT38 vào trong vũng hàn (khi còn ở trạng thái lỏng) và KLMH (khi đã kết tinh và nhiệt độ còn ở mức cao), trong khi đó, các nguyên tử Al sẽ khuếch tán theo chiều ngược lại từ vũng hàn và KLMH vào trong tấm thép CCT38. Ở phía vũng hàn, do kim loại ở trạng thái lỏng nên khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe từ tấm thép CCT38 vào trong vũng hàn sẽ dễ dàng hơn và chiều sâu khuếch tán của các nguyên tử Fe trong KLMH sẽ lớn. Trong khi tấm thép CCT38 luôn ở trạng thái rắn nên khả năng khuếch tán của các nguyên tử Al từ vũng hàn và KLMH vào trong tấm thép CCT38 sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với các nguyên tử Fe kể trên, do vậy mà chiều sâu khuếch tán của các nguyên tử Al trong tấm thép CCT38 sẽ nhỏ (hình 2.8).
Nếu giả thuyết nêu trên là đúng thì khi hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này, vùng khuếch tán sẽ lệch về phía KLMH và tổ chức liên kim (IMC) nhận được sẽ phát triển trong vùng KLMH, hướng từ tấm thép CCT38 về phía KLMH (Kết luận này cũng được chứng minh trong các mục 5.6.2 và 5.9 của luận án).
28
Theo định luật Fick thứ 2 (Fick’s second law) về khuếch tán kim loại, chiều sâu khuếch tán hay bề rộng của vùng khuếch tán phụ thuộc vào từng loại kim loại cụ thể, phụ thuộc vào trạng thái hoạt tính (hoạt năng) của các nguyên tử kim loại đó, phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian kim loại lưu lại ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán càng mạnh dẫn đến chiều sâu khuếch tán càng lớn. Thời gian kim loại ở nhiệt độ cao càng lâu thì chiều sâu khuếch tán cũng càng lớn [7].
29
do đó khả năng khuếch tán (của cùng một loại nguyên tử kim loại) trong KLCB sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với ở trong KLMH.
Như vậy, có thể suy ra rằng trong quá trình hàn nhôm với thép, nếu như lượng nguyên tử Fe (từ tấm thép CCT38) khuếch tán vào Al (KLMH) lớn hơn giới hạn hòa tan bão hòa (0,05%) kể trên thì sẽ xảy ra quá trình tích tụ Fe và kết tủa tạo ra các pha mới (điển hình là các hợp chất liên kim FexAly rất cứng và giòn). Do đó, để giảm khả năng hình thành cũng như chiều dày của lớp hợp chất liên kim khi hàn nhôm với thép, ta cần phải hạn chế sự khuếch tán của Fe vào trong KLMH bằng cách sử dụng năng lượng đường thấp, vũng hàn nhỏ và để mối hàn nguội nhanh.
Để nghiên cứu kỹ về khả năng hình thành các tổ chức kim loại và các pha liên kim khi hàn nhôm với thép, chúng ta cần phải xem xét các giản đồ pha của các kim loại có liên quan. Trong số đó, giản đồ pha của hệ hợp kim hai nguyên Fe – Al trên hình 2.12 là quan
30
trọng nhất. Ở phía bên tay trái của giản đồ, có thể nhìn thấy rằng độ hòa tan của Al trong Fe để tạo dung dịch đặc là trong khoảng 12 phần trăm, khi đó chưa xuất hiện các pha giòn. Khi mà lượng khuếch tán của Al vào trong nền Fe lớn hơn 12 % thì bắt đầu hình thành các pha liên kim cứng và giòn. Nghĩa là có thể hiểu rằng giới hạn hòa tan bão hòa của Al trong nền Fe để hình thành dung dịch đặc là khoảng 12 %.
Đối với quá trình hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này, do các nguyên nhân thời gian tồn tại của Al (KLMH) ở nhiệt độ cao rất ngắn và đặc biệt là Fe (tấm thép CCT38) luôn ở trạng thái rắn nên khả năng các nguyên tử Al khuếch tán vào trong nền Fe vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa là rất thấp. Nghĩa là rất khó có thể hình thành các tổ chức liên kim IMC trong tấm thép CCT38 – điều này rất thuận lợi cho quá trình hàn nhôm với thép. Tuy nhiên, nếu như sử dụng năng lượng đường quá lớn hoặc để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho tấm thép bị quá nhiệt hoặc thậm chí bị nóng chảy cục bộ thì các nguyên tử Al sẽ khuếch tán mạnh mẽ vào trong nền Fe, dẫn đến kết quả là sẽ hình thành nhiều tổ chức liên kim bất lợi ở ngay trong tấm thép.
Ngược lại ở phía bên tay phải của giản đồ trên hình 2.12 cho thấy rằng, độ hòa tan của sắt trong nền nhôm là gần như bằng 0 (theo tài liệu [43] thì độ hòa tan của Fe trong nền Al cực đại chỉ là 0,05%), kết quả là hình thành rất sớm một biên giới pha mới khi sắt khuếch tán vào trong nhôm. Theo giản đồ trạng thái trên hình 2.12, tùy thuộc vào hàm lượng Fe đã khuếch tán vào trong Al mà các pha Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 hoặc FeAl3 được hình thành tương ứng.
Như vậy trong quá trình hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy, do Fe (thép CCT38) ở nhiệt độ cao và đặc biệt là Al (KLMH) ở trạng thái nóng chảy, trong khi độ hòa tan của Fe trong nền Al cực thấp, nên khả năng các nguyên tử Fe khuếch tán vào trong KLMH vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa là rất cao. Nghĩa là rất dễ hình thành các tổ chức liên kim IMC trong KLMH – gây ra khó khăn rất lớn cho quá trình hàn nhôm với thép. Tuy nhiên, nếu như sử dụng năng lượng đường nhỏ, tránh để hồ quang tác động trực tiếp vào bề
31
mặt tấm thép hoặc sử dụng các biện pháp kỹ thuật để vũng hàn kết tinh nhanh thì sẽ giảm được đáng kể lượng Fe khuếch tán vào trong KLMH và nhờ đó sẽ hạn chế được chiều dày của lớp IMC hoặc thậm chí là ngăn ngừa được một phần sự hình thành của các tổ chức liên kim bất lợi đã nêu.
Từ những tính toán nhiệt động lực học hoặc mô phỏng số, có thể ước định được các pha liên kim IMC giàu nhôm nào sẽ được hình thành nhiều. Nói chung, những pha này có độ cứng cao và độ cứng gia tăng với việc tăng hàm lượng của Al trong tổ chức IMC. Theo tác giả B. P. Рябов trong tài liệu [60], độ cứng của các hợp chất liên kim giữa Fe và Al được cho trong bảng 2.6 dưới đây: Bảng 2.6 Độ cứng tế vi của các pha liên kim giữa Fe và Al (nguồn: [60])
Tổ chức liên kim Hàm lượng Al [%] Theo giản đồ trạng thái Phân tích hóa học
13,9 32,6 49,1 55,0 59,0 63,0 Độ cứng tế vi [HV] 250 - 350 400 - 520 1000 - 1050 1000 - 1100 820 - 980 650 - 680 14,04 33,64 49,32 54,92 59,40 62,89 Fe3Al FeAl FeAl2 Fe2Al5 FeAl3 Fe2Al7
2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép
2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại:
Qua các nghiên cứu và phân tích ở trên có thể thấy rằng, trong quá trình nối bằng nhiệt (hàn) các vật liệu khác chủng loại thì sự hình thành các pha liên kim IMC đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền của mối ghép. Tùy thuộc vào quá trình hàn cụ thể, nhiệt độ và thời gian là hai thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng khuếch tán của các nguyên tử kim loại vào nhau và qua đó hình thành kết tủa ra các pha liên kim bất lợi làm cho liên kết hàn bị giòn. Vì vậy, nếu các mối nối từ các vật liệu khác chủng loại yêu cầu có được độ bền và độ dai va đập cao thì việc hình thành các pha liên kim phải được khống chế ở một kích thước tối thiểu hoặc tốt nhất là không để hình thành các pha liên kim bất lợi đó, bằng cách giảm nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại thông qua việc giảm năng lượng đường và kích thước vũng nóng chảy. Theo những nhận xét này, các nguồn hàn xung với năng lượng đường nhỏ và tập trung là những công cụ tốt nhất đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật. Nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại thích hợp khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG đối với liên kết dạng chữ T được đề cập nghiên cứu trong luận án này sẽ được xác định thông qua quá trình tính toán mô phỏng ở chương 3. 2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn:
Như đã nghiên cứu trong mục 2.3.1, khi hàn thép với nhôm ở trạng thái nóng chảy thì độ sạch bề mặt của kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn trong hai kim loại đó (bề mặt của tấm thép CCT38) có ý nghĩa rất quan trọng. Trong trường hợp này, việc tránh sự oxi hóa bề mặt có tác dụng làm giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho việc tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn [1]. Vì vậy trong quá trình thực nghiệm phải sử dụng các biện pháp làm sạch triệt để bề mặt mép hàn, đặc biệt là khi hàn phía đối diện của liên kết hàn chữ T. Bởi lẽ khi hàn phía thứ nhất thì tấm thép đã được nung tới nhiệt độ cao, nếu không phun khí bảo vệ ở phía đối diện thì bề mặt tấm thép sẽ bị ôxi hóa. Trong thực tế hàn hồ quang, cách thức đơn giản nhất, có hiệu quả kinh tế và tính công nghệ là sử dụng bàn chải sắt (trong trường hợp này cần sử dụng bàn chải sợi thép không gỉ) hoặc giấy ráp kết hợp với máy nén khí có áp suất cao để thổi sạch mạt sắt và oxit sắt bong ra sau khi chải.
32
Không chỉ yêu cầu cao về độ sạch bề mặt tại nơi có sự tiếp xúc giữa kim loại lỏng của mối hàn và tấm thép CCT38, để tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc nóng chảy cục bộ trên bề mặt của tấm thép nhằm làm giảm khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH thì độ nhấp nhô tế vi của bề mặt tấm thép cũng yêu cầu phải nhỏ (càng nhỏ càng tốt). Bởi vì khi hàn, các đỉnh của nhấp nhô tế vi sẽ có nguy cơ bị quá nhiệt hay thậm chí bị nóng chảy cục bộ, điều này sẽ làm cho Fe hòa trộn nhiều vào KLMH và sẽ tạo ra lớp IMC bất lợi có chiều dày lớn, sẽ gây giòn và nứt liên kết hàn. 2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn:
Tác giả Simaizumi trong tài liệu [36] và tác giả B. P. Рябов trong tài liệu [60] đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm hệ Al-Mg (loạt 5xxx) với thép cacbon đã được mạ kẽm bằng quá trình hàn TIG và đã đưa ra được đồ thị ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim cũng như hàm lượng của chúng đến chiều dày của lớp IMC và độ bền kéo của liên kết hàn như mô tả trên hình 2.13 dưới đây:
và độ bền của liên kết hàn nhôm – thép khi hàn TIG (nguồn: [36])
Kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng, khi hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy nếu sử dụng dây hàn thuộc hệ Al-Si sẽ cho chiều dày của lớp IMC nhỏ hơn so với các hệ Al-Cu và hệ Al-Zn, qua đó cho độ bền của mối ghép cao hơn. Trong đó, dây hàn có hàm lượng 5%Si là tối ưu nhất vì cho chiều dày lớp IMC nhỏ nhất khi sử dụng cùng một chế độ công nghệ hàn (năng lượng đường như nhau). Kế thừa thành quả của các nghiên cứu này, tác giả sẽ hướng đến việc chọn vật liệu hàn để hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 thuộc hệ Al-5%Si (loại ER4043).
Trong trường hợp chọn vật liệu hàn thuộc hệ Al-Si có chứa 5%Si, trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt ở phía KLMH và tấm nhôm AA1100 sẽ có sự tương tác giữa Al và Si, vì vậy cần phải nghiên cứu giản đồ trạng thái của hệ hợp kim Al-Si. Trên hình 2.14 là giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên Al-Si, chúng ta thấy rằng giữa nhôm và silic không hình thành các pha liên kim, điều này là tương đối thuận lợi cho quá trình hàn. Tồn tại duy nhất một điểm cùng tinh khi hàm lượng Si đạt được 12,6% ở 577oC, nghĩa là nếu hàm lượng Si lớn hơn 12,6% thì tổ chức sẽ là hỗn hợp cơ học ([Al+Si]+Si) giữa cùng tinh [Al+Si] và Si tồn tại dưới dạng tinh thể, còn khi hàm lượng Si nhỏ hơn 12,6% thì tổ chức nhận được sẽ là hợp kim trước cùng tinh (Al + [Al+Si]). Như vậy để tránh sự kết tủa ra Si ở dạng tinh thể trong mối hàn thì không nên sử dụng vật liệu hàn có hàm lượng Si quá cao.
33
Trong trường hợp chọn vật liệu hàn thuộc hệ Al-5%Si như vậy, ngoài sự tương tác giữa Al và Si, còn có sự tương tác giữa Fe và Si. Sự tương tác giữa Fe và Si được thể hiện trên giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên Fe-Si như hình 2.15. Chúng ta thấy rằng giữa Fe và Si có thể hình thành rất nhiều tổ chức khác nhau, tương ứng với hàm lượng Si và nhiệt độ thích hợp. Trong đó, nếu hàm lượng hòa tan của Si trong Fe từ 0-10,9% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn αFe. Khi lượng Si hòa tan vào Fe chỉ từ 0-1,9% và ở nhiệt độ 912-1394oC thì hệ hợp kim có cấu trúc γFe (dung dịch rắn). Khi hàm lượng Si đạt ∼5- 12% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn α2, còn Si đạt được ∼5-18% thì tổ chức nhận được là dung dịch rắn α1.
Khi lượng hòa tan của Si lớn, đạt khoảng 20,1% thì chúng ta nhận được tổ chức cùng tinh Fe2Si nằm ở biên giới hạt, tuy nhiên tổ chức này chỉ tồn tại ở nhiệt độ trên 1050oC, dưới nhiệt độ này thì Fe2Si bị phân huỷ thành các tổ chức khác. Khi hàm lượng Si đạt 23,2% và nhiệt độ từ 825-1060oC chúng ta sẽ nhận được tổ chức cùng tích Fe5Si3. Khi hàm lượng hòa tan của Si trong Fe đạt xấp xỉ 34%, sẽ hình thành một tổ chức cùng tinh FeSi ngay cả ở nhiệt độ thường. Ngoài ra chúng ta còn có thể nhận được tổ chức FeSi2 dưới dạng α hoặc β.
Qua phân tích giản đồ trạng thái giữa Fe và Si ta thấy rằng, khi hàn nhôm với thép bằng dây hàn ER4043 thì khả năng hình thành các tổ chức cùng tinh hoặc liên kim FexSiy là rất thấp vì nồng độ Si trong KLMH rất thấp (tối đa 5%), trong khi thời gian khuếch tán lại rất ngắn và môi trường khuếch tán là Fe ở trạng thái rắn.
34
Khi sử dụng vật liệu hàn thuộc hệ Al-Si, ngoài sự tương tác đơn lẻ của 2 nguyên tố kể trên, còn có tương tác tương hỗ lẫn nhau của 3 nguyên tố Al, Fe và Si thể hiện qua giản đồ trạng thái hệ 3 nguyên Al-Fe-Si. Theo tài liệu [48], giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 3 nguyên Al-Fe-Si tại 600oC như thể hiện trên hình 2.16.
Chúng ta thấy rằng ngoài việc tiết ra các pha liên kim 2 nguyên FexAly, khi có thêm Si thì trong kim loại còn có thể xuất hiện các pha liên kim 3 nguyên AlxFeySiz, ký hiệu bằng các ký tự từ τ1 đến τ10 (bảng 2.7). Chúng xuất hiện và tồn tại tùy thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng tương ứng của các nguyên tố. Bảng 2.7 Ký hiệu của các hợp chất liên kim 3 nguyên hệ Al-Fe-Si (nguồn: [48])
τ7 (γ) τ8 τ9 τ10
Ký hiệu Liên kim Ký hiệu Liên kim
τ1 τ2,3 τ4 (δ) τ5 (α) τ6 (β)
Al63,5Fe20,5Si16 Al6Fe4Si6 Al2Fe3Si4 Al4Fe1,7Si Al2Fe3Si3 Al2FeSi Al2,7FeSi2,3 Al15Fe6Si5 Al4,5FeSi
Đối với quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy như đã mô tả thì chúng ta có thể tiên đoán được rằng tỷ lệ hàm lượng giữa 3 nguyên tố có mặt trong hợp chất liên kim loại AlxFeySiz sẽ như sau: nhiều nhất là Al, tiếp đó đến Fe và Si có hàm lượng ít nhất (thuộc vùng góc bên phải, phía dưới của giản đồ trên hình 2.16).
35
2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG
Cho đến nay, việc hàn nhôm với nhôm đã được hoàn thiện về mặt công nghệ và kỹ thuật, nghĩa là có thể tạo ra được liên kết hàn nhôm cùng chủng loại có chất lượng rất tốt. Tuy nhiên việc hàn nhôm với thép vẫn đang ở trong giai đoạn nghiên cứu phát triển và hoàn thiện công nghệ. Có rất nhiều vấn đề khó khăn cần phải nghiên cứu giải quyết, trong số đó khó khăn và bất lợi lớn nhất khi hàn nhôm với thép là sự hình thành các hợp chất hóa học giữa các kim loại (IMC) có độ cứng cao, liên kết bị giòn và nứt.
Trong khuôn khổ của luận án này tác giả sẽ chỉ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng quá trình hàn TIG để hàn nhôm AA1100 với thép CCT38. Vật liệu hàn để hàn nhôm với thép trong trường hợp này phải đảm bảo đồng thời 2 nhiệm vụ đó là: tạo ra liên kết tốt với tấm nhôm AA1100 (tấm biên) đồng thời cũng phải tạo ra được liên kết tốt với tấm thép CCT38 (tấm vách). Cách làm hợp lý mà tác giả lựa chọn là trước hết đi khảo sát các vật liệu thích hợp để hàn tốt với nhôm AA1100, sau đó sẽ chọn lựa ra vật liệu thích hợp nhất trong số đó có thể liên kết tốt với thép CCT38.
Như đã phân loại trong mục 2.2.1.1, nhôm AA1100 nghiên cứu trong luận án này thuộc nhóm 1xxx theo ký hiệu của phương tây và nằm trong nhóm hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được. Nói chung kim loại này có tính hàn tốt khi hàn bằng quá trình hàn TIG. Theo tài liệu [46], các dây hàn TIG phù hợp để hàn với nhóm hợp kim nhôm hóa bền biến dạng (không thể nhiệt luyện được) được mô tả trong bảng 2.8 dưới đây.
36
Vật liệu hàn phù hợp 1xxx, 4xxx 1xxx, 4xxx 5xxx, 4xxx 5xxx
Kim loại cơ bản 1xxx 3xxx 5xxx (nhóm có hàm lượng magiê thấp) 5xxx (nhóm có hàm lượng magiê cao) Chúng ta thấy rằng để hàn nhôm AA1100, có thể sử dụng dây hàn ER1100 hoặc dây
hàn ER4043, với các thành phần hóa học được mô tả trong bảng 2.9 dưới đây: Bảng 2.9 Thành phần hóa học của một số dây hàn cho nhôm theo tiêu chuẩn AWS A5.10-1980
0,005 0,3 0,06 0,8 0,01 0,05 0,01 0,2 0,01 0,15 0,03 0,1
%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ti %Khác %Al Mác 99,88 0,01 ER1100 0,06 ER4043 4,5-6 Còn lại 0,05 Cơ tính của mối hàn đạt được khi hàn nhôm AA1100 bằng các dây hàn ER1100 hoặc
ER4043 được giới thiệu trong bảng 2.10 dưới đây: Bảng 2.10 Cơ tính đạt được khi hàn nhôm AA1100 bằng các dây hàn khác nhau (nguồn: [46])
Vật liệu hàn Kim loại cơ bản Hiệu quả [%] Độ giãn dài [%] Độ giãn dài [%] Cơ tính của kim loại cơ bản Độ bền kéo [MPa] Giới hạn chảy [MPa] Cơ tính của mối hàn Độ bền kéo [MPa] Giới hạn chảy [MPa]
ER1100 35 90 23 100 AA1100 35 90 25 ER4043 41 93 21 100
Tuy nhiên, quyết định chọn loại vật liệu nào để thực hiện trong luận án thì còn phải tìm hiểu xem trong số hai hợp kim này, hợp kim nào cho hiệu quả cao nhất khi hàn với thép CCT38. Kết hợp các kết quả này cộng với việc kế thừa các thành quả nghiên cứu của các tác giả trong các tài liệu [36, 60] như đã phân tích trong mục 2.3.4.3, tác giả quyết định chọn dây hàn TIG để thực hiện trong luận án này là loại ER4043 với 5%Si.
Hệ thống lại tất cả các đặc điểm đã phân tích ở trên tại 3 vùng quan trọng của liên kết hàn hybrid nhôm – thép, ta thu được bảng tổng hợp các yếu tố cần phải giải quyết khi hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 như mô tả trong bảng 2.11 dưới đây. Bảng tổng hợp này là cơ sở khoa học để đề ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm thực hiện thành công việc hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG. Bảng 2.11 Tổng hợp các yếu tố và giải pháp kỹ thuật khi hàn nhôm với thép:
Yếu tố Biện pháp kỹ thuật
Lớp màng ôxit Al2O3
2 Chảy loãng cao, sụt chân mối hàn
3
4 5 TT Tại phía tấm nhôm: khu vực cần quan tâm là KLMH và vùng AHN ở phía tấm nhôm - Hiệu ứng bắn phá catot bằng dòng AC, DC+. 1 - Làm sạch bổ sung bằng bàn chải sắt, giấy ráp. - Sử dụng tốc độ hàn lớn. - Dùng tấm đệm (nếu có thể). - Không nung nóng sơ bộ. - Kẹp chặt bằng đồ gá. - Sử dụng năng lượng đường thấp nhưng đủ ngấu. - Nguồn nhiệt tập trung, nguồn hàn xung. - Sử dụng năng lượng đường thấp nhưng đủ ngấu. - Ưu tiên hàn nhiều lớp. Hệ số dãn nở nhiệt cao, dễ biến dạng khi hàn Hệ số dẫn nhiệt lớn Dễ nứt do cấu trúc hạt hình trụ thô
37
6 Hòa tan hydro ở nhiệt độ cao
7 Nứt giữa các tinh thể trong vùng ảnh hưởng nhiệt - Làm sạch dầu mỡ bảo quản trên phôi. - Làm sạch triệt để mép hàn, dây hàn. - Sử dụng quá trình hàn ít hydro (TIG). - Chọn vật liệu hàn có thành phần hợp kim cao hơn KLCB và vượt ra ngoài vùng nhạy cảm nứt.
Quá nhiệt - Sử dụng năng lượng đường thấp.
Tại phía tấm thép: cần quan tâm bề mặt tấm thép và vùng AHN ở phía tấm thép 8 Tại bề mặt tiếp giáp KLMH – tấm thép: cần quan tâm vấn đề hình thành lớp IMC 9
- Mỏ hàn hướng về phía tấm nhôm, để kim loại lỏng chảy tràn, thấm ướt rộng và ổn định lên trên bề mặt tấm thép. - Tạo độ nhẵn trên bề mặt tấm thép, loại bỏ các Bảo đảm điều kiện thấm ướt nhôm lỏng từ KLMH lên bề mặt tấm thép (trong trường hợp không dùng lớp mạ trung gian, không dùng thuốc hàn) nhấp nhô tế vi bằng giấy ráp.
10 Khống chế chiều dày lớp IMC - Làm sạch triệt để bề mặt tấm thép. - Chọn vật liệu hàn có khả năng ngăn ngừa hoặc hạn chế việc tạo ra lớp IMC bất lợi (hợp kim hóa mối hàn bằng nguyên tố thích hợp).
- Sử dụng năng lượng đường thấp. - Khống chế vũng hàn nhỏ. - Hàn ở tốc độ cao. - Để mối hàn nguội nhanh.
Như vậy sau khi nghiên cứu, phân tích tất cả các khía cạnh, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của liên kết hàn nhôm – thép, chúng ta thấy rằng để thực hiện thành công liên kết hàn hybrid nhôm – thép đã nêu thì phải đồng thời xử lý triệt để 10 yếu tố liên quan trong bảng 2.11. Trong số đó, hai yếu tố số 9 và 10 là quan trọng nhất và cũng khó thực hiện nhất. 2.4. Kết luận chương 2
Hàn các vật liệu khác chủng loại giữa nhôm và thép đang là vấn đề thời sự, các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại khác nhau về chủng loại có ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp do những ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, hoá chất, thực phẩm, năng lượng, đóng tàu, kỹ thuật tên lửa và nhóm các ngành công nghệ cao,… Điển hình là xu hướng giảm khối lượng trong các kết cấu kim loại hoặc sử dụng vật liệu chống ăn mòn,... dẫn đến việc sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau trong một chi tiết hay kết cấu, ví dụ như thép độ bền cao và vật liệu nhẹ như nhôm, hợp kim nhôm và hợp kim magiê,... Điều này dẫn đến những đòi hỏi mới đối với công nghệ hàn và nối các loại vật liệu đó với nhau.
Để hàn thành công các vật liệu khác chủng loại, cần thực hiện triệt để các biện pháp nhằm giảm xuống mức tối thiểu thời gian các kim loại được hàn với nhau ở trạng thái lỏng, nhờ đó làm giảm kích thước các lớp giòn từ các pha liên kim bất lợi. Các biện pháp công nghệ tiếp theo bao gồm bảo vệ hữu hiệu kim loại khi hàn khỏi tác động của không khí bên ngoài khi hàn; ngăn ngừa sự hình thành các pha liên kim có đặc tính giòn nhờ sử dụng các lớp đệm trung gian có tính hàn tốt đối với cả hai kim loại cơ bản trong liên kết hàn và ngăn ngừa sự tăng kích thước của các pha liên kim thông qua việc hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng một số nguyên tố thích hợp.
Ở chương này, tác giả đã đi sâu vào tìm hiểu đầy đủ các đặc điểm, tính chất và tính hàn của các loại vật liệu cơ bản; nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm của hàn các vật liệu khác chủng loại nói chung và giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 nói riêng; đã đưa ra 1 giả
38
thuyết khoa học nhằm phân tích và lý giải được bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép cũng như ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép, thông qua đó đã đề ra được các biện pháp kỹ thuật thích hợp sử dụng trong quá trình hàn thử nghiệm ở chương 4.
Từ những nghiên cứu ở trên, có thể tóm lại rằng để hàn thành công nhôm với thép như đề tài luận án đề cập, cần phối hợp và thực hiện triệt để 3 nhóm giải pháp kỹ thuật sau đây:
Giải pháp về vật liệu: Chọn vật liệu hàn có thành phần hợp kim cao, vượt ra ngoài vùng nhạy cảm với nứt (chọn dây hàn ER4043 – hệ hợp kim Al-Si có chứa 5%Si).
Giải pháp về kết cấu: Vát mép tấm thép ở góc độ phù hợp để tạo khả năng chảy loang tốt của KLMH lên trên bề mặt của tấm thép. Tạo độ nhẵn và sạch triệt để bề mặt tấm thép, trong quá trình hàn cần tránh hiện tượng ôxi hoá để nhằm mục đích giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho quá trình tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn. Kẹp chặt chi tiết hàn bằng đồ gá và bảo đảm đúng kích thước khe hở hàn.
Giải pháp về công nghệ: Sử dụng quá trình hàn ít hydro (TIG). Sử dụng hiệu ứng bắn phá catot bằng dòng hàn AC hoặc DC+. Làm sạch dầu mỡ bảo quản trên phôi, đặc biệt là làm sạch triệt để mép hàn khỏi các lớp gỉ, bụi bẩn,… bằng phương pháp cơ học (bàn chải có sợi thép không gỉ, giấy ráp). Trong trường hợp này không dùng thuốc hàn vì phức tạp trong khâu xử lý thuốc dư. Không sử dụng lớp phủ trung gian (Al hoặc Zn) vì các bất lợi như đã phân tích ở phần tổng quan. Sử dụng năng lượng đường thấp, khống chế vũng hàn nhỏ, hàn ở tốc độ cao. Kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn (nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại). Để hồ quang tập trung và tránh bị thổi lệch khi hàn bằng cách mài đầu điện cực vonfram ở dạng nón cụt thay vì mài tròn như hàn nhôm thông thường.
Ba nhóm giải pháp này sẽ là cơ sở khoa học quan trọng áp dụng trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm ở chương 4 nhằm tạo ra được liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đối tượng nghiên cứu đã nêu trong phần mở đầu.
39
Ưu thế của máy tính điện tử và khoa học mô phỏng là lợi ích biết và dự đoán trước được các sự kiện sẽ xảy ra trong thực nghiệm, từ đó giúp chúng ta tìm ra được dải thông số công nghệ thích hợp nhất để áp dụng trong thực nghiệm, giúp cho quá trình thực nghiệm nhanh hội tụ đến đích và giảm được nhiều chi phí do không phải thực nghiệm ở vùng thông số không thích hợp. Trên cơ sở đó tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng số quá trình hàn TIG cho liên kết hybrid nhôm – thép trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. 3.1. Mục đích
Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 đã đưa ra nhận định rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số cốt lõi quyết định đến quá trình hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép, do vậy chương này sẽ tìm cách chứng minh nhận định đó thông qua đề xuất mô hình tính toán và mô phỏng quá trình hàn TIG liên kết hàn hybrid nhôm – thép đã nêu để đưa ra các dự báo trước về trường nhiệt, chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại,… đồng thời kết hợp với các kết quả nghiên cứu ở chương 2 sẽ tìm ra được dải chế độ công nghệ hàn phù hợp cho quá trình thực nghiệm ở chương 4.
Nghiên cứu mô phỏng còn nhằm mục đích nắm bắt quá trình hàn một cách tổng quát và trực quan, giảm nhiều các chi phí thử nghiệm do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng thông số không thích hợp. 3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn
Trong hàn nóng chảy nói chung và hàn hồ quang nói riêng, quá trình truyền nhiệt trong vật hàn là nguyên nhân của các vấn đề phát sinh trong đó (gồm các quá trình: nóng chảy, biến đổi tổ chức, khuếch tán, tiết pha mới, gây ra ứng suất, biến dạng,…). Mặt khác, theo các kết quả nghiên cứu ở chương 2 thì các thông số quan trọng quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa KLMH và tấm thép CCT38 bao gồm độ sạch và nhẵn của bề mặt tấm thép, nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại. Trong đó nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số quyết định nhất, do vậy chúng ta cần phải nghiên cứu về quy luật phân bố của trường nhiệt hàn trong liên kết hàn nghiên cứu.
T
T
+
Cơ sở của nghiên cứu quá trình truyền nhiệt xuất phát từ định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Định luật này phát biểu rằng: năng lượng nhiệt được bảo tồn và được mô tả bởi phương trình vi phân như sau [49]:
{ } { } v TL
{ } { } q = L q
.γ c
∂ T ∂ t
+
T
=
,
,
{ } L
T
=
{ } v
,
(3.1)
∂ ∂ y
∂ ∂ x
{ , vvv y x
}z là
Ở đây: γ là khối lượng riêng của vật chất, c là nhiệt dung riêng, T là nhiệt độ (=T(x,y,z,t)) ∂ ∂ z là véc tơ cột (gradient),
là lượng nhiệt sinh ra của một và t là biến thời gian. Ta ký hiệu: véc tơ tốc độ truyền nhiệt, {q} là véc tơ dòng nhiệt và q đơn vị thể tích.
[ ]{ }TLK −=
Theo định luật Fourier [49], quan hệ giữa véc tơ dòng nhiệt và gradient nhiệt độ là: { } q (3.2)
40
K
0
0
=
]
[ K
xx 0
K
0
0
yy 0
K
zz
T
T
+
Với , trong đó Kxx, Kyy, Kzz là các hệ số dẫn nhiệt lần lượt theo các hướng x, y và z Kết hợp các phương trình (3.1) và (3.2) ta được phương trình sau:
.γ c
{ } { } v TL
{ } [ ( L
]{ } TLK
) q +
∂ T ∂ t
=
(3.3)
TT =
Đối với bài toán truyền nhiệt, chúng ta có 3 điều kiện biên như sau [48]: a) Nhiệt độ xác định trên bề mặt S1:
−=
{ } { }ηTq
q
(3.4) b) Dòng nhiệt truyền qua bề mặt xem xét S2 (dẫn nhiệt):
T
−
{ } { } =η q
( TTh
f
)B
(3.5) Với {η} là véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt S2 và q là dòng nhiệt truyền qua bề mặt S2 đang xét. c) Lượng nhiệt đối lưu và bức xạ qua bề mặt S3 (theo định luật làm mát Newton):
=
q
(3.6) Với hf là hệ số đối lưu nhiệt, TB là nhiệt độ của môi trường và T là nhiệt độ trên bề mặt của mô hình.
T
−
=
]{ } TLKT ]{ } TLK
)T
(3.7)
( Th f B Chú ý rằng: dòng nhiệt mang dấu dương là dòng nhiệt đi vào trong mô hình (ngược hướng với véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt đang xét {η}). Kết hợp phương trình (3.2) với (3.5) và (3.6) ta được: { } [ η { } [ η và
T
T
+
−
δ dSqT . .
) dST
δ . dVqT .
=
+
(3.8) Nhân phương trình (3.3) với vi phân nhiệt độ δT, rồi tích phân qua thể tích phần tử Ve,
)
]{ } ) [ { } ( ( δ TLKT L
{ } { } v TL
2
( δ ThT . . f
B
3
e
dV e
∫
∫+
S
S
∫
2
3
V e
eV
∂ T ∂ t
δγ .. Tc
(3.9) và kết hợp với các phương trình (3.7) và (3.8) ta được: ∫
T =
[ T TN
] { }e
Theo lý thuyết phần tử hữu hạn [50], nhiệt độ được xác định bởi công thức:
(3.10)
=
=
T
] { }e [ T TN
Với: [N]=[N(x,y,z)] là ma trận hàm hình dáng về nhiệt độ của phần tử, còn {Te}={Te(t)} là véc tơ nhiệt độ nút của phần tử. Từ đó suy ra:
T
]N
∂ T ∂ t { eδδ = T T
(3.11)
=
T
T
T
+
+
} [
][
e
{ δγ. Tc e
] { } T dVTNN e e
} [ và Ta ký hiệu ma trận: [ ] { }[ Kết hợp các phương trình (3.9), (3.10), (3.11), (3.12) và (3.13) ta được: ∫
∫
eV
eV
T
T
T
T
+
−
} [ ] . . dSqN
=
} [ ] [
][ ]{ }
{ Tδ
dV
TBKB
{ Tc δγ. e } [ { δ T e
]{ } [ ]{ } dVTBvN e ( ] } [ { δ . . T ThN e f B
(3.12) { } TL ]TNL B = [ ]{ }eTB khi đó thì: (3.13)
3
2
e
e
e
∫
∫
S
S
2
3
eV
T
} [
] . . dVqN e
{ δ T e
eV
∫ ∫+ Rút gọn phương trình (3.14) và đưa các hằng số ra ngoài dấu tích phân ta được:
(3.14)
41
T
T
]
[ ][ . NNc
=
[ ] [
dV e
{ } T e
[ ]{ } [ ] T . dVBvNc e
dVBKBγ e
{ } T e
∫ γ
V e
V e
eV
T
+
−
∫ + ] { } dS
[ .
]
] [ dSqN . .
.
][ ] ] [ edVNq.
{ } T e ][ TNNh e
f
3
∫+ γ [ dSNhT . f
B
3
2
∫
S
S
S
eV
∫ 3
3
2
+
+
)g }
(3.15)
f Q e
e
t e
tc e
tb e
tm e
( {
T
]
(3.16)
[ ][ NNc
t e
dV e
eV
là ma trận nhiệt dung riêng của phần tử
tm e
e
eV
T
[ ]{ } [ ] T dVBvNc [ ] [ ][ ] dVBKB e
tb e
eV
là ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử
T
]
][ [ NNh .
dS
tc e
3
f
∫=
S
3
là ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử
[ ] dSqN . .
2
∫=
S
2
là ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
]
.
[ dSNhT . f
c e
B
3
S
3
là véc tơ lưu lượng nhiệt của phần tử
[ ] . dVNq
∫+ ∫ Viết gọn phương trình (3.15) dưới dạng ma trận, ta được: [ [ ]{ } } { } { TC c + + + Q Q K e e Trong đó: ] [ ∫= γ C ] [ ∫= γ K ] [ ∫= K ] [ K } { f Q e } { ∫= Q } { Q
e
g e
∫=
eV
là véc tơ dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử
là véc tơ tải trọng sinh nhiệt của phần tử 3.2.3. Xây dựng ma trận kết cấu
Muốn nghiên cứu cả ứng xử của vật liệu về mặt cơ học (đặc trưng bởi ứng suất, biến dạng,...), chúng ta cần phải đưa các lý thuyết về cơ học vào trong mô hình nghiên cứu. Nghĩa là chúng ta cần phải tiến hành giải một bài toán hỗn hợp đa trường nhiệt – kết cấu.
U δδ = V
Theo nguyên lý chuyển vị khả dĩ thì ta có quan hệ giữa công khả dĩ và công do ngoại lực tạo ra là [51]:
T
)
{ }{ } ( σδε
(3.17) Ở đây: U là công khả dĩ do nội lực gây ra (U=U1+U2) và V là công do ngoại lực tạo ra (V=V1+V2+V3) và δ là ký hiệu vi phân.
eVd
∫=
eV
Thành phần thứ nhất của công khả dĩ (U1) được xác định bởi công thức sau [52]: δ 1 U
T
T
δε
=
(3.19)
D
D
]{ th ε
) } dV
( { } [ δε
δ 1 U
e
∫
eV
(3.18) Trong đó: {ε} là véc tơ biến dạng tổng thể, {σ} là véc tơ ứng suất và Ve là thể tích của phần tử khảo sát. Nếu gọi [D] là ma trận độ cứng thì: {σ} = [D]{εel} hay {σ} = [D]({ε}-{εth}) Với: {εel} là véc tơ biến dạng đàn hồi và {εth} là véc tơ biến dạng nhiệt. Kết hợp các phương trình (3.19) và (3.18) ta được: ]{ } { } [ ε −
(3.20) Gọi [B] là ma trận biến dạng - chuyển vị trên cơ sở của hàm hình dáng của phần tử hữu hạn (PTHH) và {u} là véc tơ chuyển vị nút phần tử, ta sẽ có:
T
T
−
][ ]
{ } δ u
[ ] [ T DB
]{ } th ε
{ } [ ]{ }uB=ε Thay (3.21) vào (3.20) ta được: [ ] [ { } { } T δ 1 U δ = dVBDB u u e
dV e
∫
eV
∫ eV
(3.21)
(3.22)
42
da
{ } { } T σδ w n
f
∫=
ca
(3.23) Thành phần thứ 2 của công khả dĩ (U2) được xác định khi một bề mặt dịch chuyển chống lại một trở kháng phân bổ như là một độ cứng cơ sở, nó được mô tả bởi công thức [52]: δ 2 U
{ w
]{ }uN
} [ n =
n
Ở đây: wn là pháp tuyến động của bề mặt, {σ} là véc tơ ứng suất trên bề mặt, ac là bề mặt có trở kháng phân bổ. Chúng ta biết rằng quan hệ giữa véc tơ chuyển vị nút của phần tử và pháp tuyến động của bề mặt trở kháng phân bổ được thể hiện qua công thức:
(3.24) Với: [Nn] là ma trận hàm hình dáng của pháp tuyến động tại bề mặt chịu tải.
T
T
] [
Ứng suất {σ} được biểu diễn bởi công thức: }nwk.=σ { { } (3.25) Với: k là độ cứng cơ sở đơn vị của lực trên chiều dài và trên đơn vị diện tích bề mặt. Kết hợp các công thức (3.23), (3.24), (3.25) và đưa hằng số k ra khỏi dấu tích phân, ta
[ N
{ } . u
{ } 2 δ = u
] daN n
f
n
∫ .. k
fa
được: δ U
a
T
}
{ } {
δ w
dV
e
δ 1 V
∫−=
eV
F V
e
(3.26) Thành phần thứ nhất của công do ngoại lực tác động (V1) được xem xét dựa vào hiệu ứng quán tính [52]:
a
2
}
= γ
(3.27) Ở đây: {w} là véc tơ chuyển vị của của điểm đang xét, {Fa} là véc tơ tải trọng (theo D’Alembert). Theo theo định luật 2 của Newton, ta có:
{ }w
2
∂ ∂ t
{ F V e
]{ }uN
(3.28)
(3.29)
2
T
−=
] [
]
Ở đây: γ là khối lượng riêng của vật chất, t là biến thời gian. Chuyển vị bên trong phần tử được liên hệ với chuyển vị nút theo công thức: { } [ w = Với: [N] là ma trận hàm hình dáng của phần tử. Kết hợp các công thức (3.27), (3.28), (3.29) và đưa hằng số γ ra ngoài dấu tích phân, ta được:
{ } u
[ dVNN e
δ V 1
2
{ } T ∫ ..γδ u
eV
∂ ∂ t
(3.30)
} { }
{ δ w
dap
n
p
δ 2 V
Véc tơ tải trọng áp lực (pressure load vector) sẽ gây ra một công (V2) và được xác định
pa
T
p
n
bằng công thức [52]: T ∫= (3.31) Ở đây: {p} là véc tơ tải áp lực, còn ap là bề mặt mà trên đó tải áp lực đặt vào.
∫
pa
Kết hợp các công thức (3.29) và (3.31) ta được: [ ]{ } { } = δ 2 V δ dapN u
}nd
(3.32) Chú ý rằng: tải áp lực được đặt vào bề mặt ngoài của phần tử và cả trên đường bao của bề mặt ngoài đó.
Lực nút (nodal force) tác dụng lên phần tử { eF sẽ gây nên một công (V3), và được biểu diễn bằng công thức [52]:
43
e
}nd
{ } { T F δ =3 V δ u (3.33) Cuối cùng, tổng hợp các phương trình (3.17), (3.22), (3.26), (3.30), (3.32) và (3.33) ta
T
T
−
][ ]
{ } u
+
{ } δ u
[ ] [ T DB
]{ } th ε
dV e
∫
eV
T
2
=
] [
[ N
{ } u
] daN n
f
n
T
∫ eV { } T ∫ ..δ u k
fa
−
+
]
{ } u
[ ] [ dVNN e
2
eV
∂ ∂ t
T
T
+
] { }
nhận được phương trình: [ ] [ { } T uδ dVBDB e
{ } δ u
[ N
dap
{ } T ∫ ..γδ u }
n
p
{ } { T nd δ Fu e
∫
pa
th
+
−
]
( [ K
(3.34)
Chú ý rằng véc tơ vi phân chuyển vị {δu}T có giá trị bé tùy ý, và do nó có mặt trong toàn bộ các thành phần của phương trình (3.34) nên có thể được giản lược. Viết gọn phương trình (3.34) dưới dạng ma trận ta được: [ pr K
} { + F
f e
e
(3.35)
T
]
e
e
eV
T
[ ] [ dVNN ][ ]
[ ] [ dVBDB
e
e
eV
là ma trận khối lượng của phần tử
T
] [
[ N
] daN n
f
n
f e
là ma trận độ cứng của phần tử
fa [ ] [ T DB
]{ th ε
} dV
e
eV
là ma trận độ cứng cơ sở của phần tử
T
pr
] { }
[ N
dap
n
p
∫=
pa
là véc tơ tải trọng nhiệt của phần tử
]{ } [ uM e Ở đây: ] [ ∫= γ M [ ] ∫= K ] [ ∫= K k } { th ∫= F e } { F e { }nd eF
là véc tơ tải áp lực (pressure) lên phần tử
2
{ } = u
{ }u
2
∂ ∂ t
là véc tơ tải trọng lực (nodal force) đặt lên nút của phần tử
là véc tơ gia tốc nút phần tử
Biến dạng nhiệt trong liên kết hàn:
T
th ε
( ) dTT .α
∫=
T B
Trong trường hợp hệ số dãn nở nhiệt α là hàm số của nhiệt độ (α = α(T)), quan hệ giữa biến dạng nhiệt εth và α được biểu diễn như sau:
(3.36) Trong đó: TB là nhiệt độ môi trường và T là nhiệt độ tức thời tại nút đang xét. α được xác định theo đặc tính truyền nhiệt của vật liệu nghiên cứu cụ thể.
+
=
t
[ ] 0 [ K
3.2.4. Thiết lập bài toán đa trường nhiệt – kết cấu
[ ] 0 ] [ t C
] [ C [ ] 0
[ ] 0 [ ] 0
{ } u { } + T
{ } F { } Q
[ ] K [ ] 0
{ } u { } T
]
Trong quá trình tính toán mô phỏng bài toán hàn tổng quát, chúng ta không chỉ tính toán trường nhiệt mà còn phải quan tâm cả đến ứng suất và biến dạng do nguồn nhiệt hàn sinh ra. Để làm việc đó ta tiến hành tổ hợp các phương trình (3.16) và (3.35) với việc đưa thêm tham số ma trận suy giảm [C] trong trường hợp giải bài toán tổng quát (có tính đến tính dẻo của vật liệu) ta sẽ thu được hệ phương trình ma trận đầy đủ cho toàn bộ mô hình PTHH như sau [51]: [ ] { } M u { } [ ] 0 T (3.37)
44
Do liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T đề cập trong luận án này là một bài toán mới, bài toán phi tiêu chuẩn nên chưa có bất kỳ một tiêu chuẩn hay quy phạm ứng dụng nào để có thể tra cứu, vì vậy việc tiến hành tính toán các kích thước của liên kết hàn này nhằm mục đích trả lời các câu hỏi “kích thước liên kết hàn như vậy chịu được tải trọng bao nhiêu?” và/hoặc “thiết kế như vậy đã hợp lý chưa?” là một nội dung cần thiết phải đề cập.
Mặt khác, nhằm mục đích đưa ra một giải pháp nghiên cứu có tính tương đối toàn diện đối với bài toán mới từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo, mà nội dung này trở thành một phần nghiên cứu mở rộng nhưng quan trọng và nên được công bố.
3.3.1. Thiết kế liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng kỹ thuật tính toán tối ưu 3.3.1.1. Bài toán tối ưu trong thiết kế kết cấu:
x�
g�
Giả sử có n biến thiết kế độc lập cần phải tính toán tối ưu (ở đây chính là kích thước hình học của các phần tử của kết cấu / liên kết hàn) được tập hợp dưới dạng một véc tơ x = {x1, x2,…, xn}, trong đó các biến xi nằm trong một phạm vi giữa các cận dưới và cận trên (xi ≤ xi ≤ i). Mục đích của ta là đưa hàm mục tiêu (trọng lượng hoặc thể tích của kết cấu) f = f(x) min trong khi phải thỏa mãn đồng thời tất cả các điều kiện ràng buộc (hàm điều kiện). Các hàm điều kiện (Gi(x), Hj(x), Wk(x)) có thể ở một hoặc đồng thời trong các dạng sau đây [51]: Gi(x) ≤ i với i = 1 ÷ m1 (loại hàm giới hạn trên) (3.38) hj ≤ Hj(x) với j = 1 ÷ m2 (loại hàm giới hạn dưới) (3.39) wk ≤ Wk(x) ≤ k với k = 1 ÷ m3 (loại hàm giới hạn cả cận trên và cận dưới) (3.40) Một phương án thiết kế được gọi là “khả thi” nếu như tồn tại một véc tơ x*={x1*, w� x2*,…,xn*} mà thỏa mãn được đồng thời tất cả các hàm ràng buộc, nghĩa là:
g�
w� gi* = Gi(x*) ≤ i + αi (3.41) hj - βj ≤ hj* = Hj(x*) (3.42) k + γk (3.43) wk - γk ≤ wk* = Wk(x*) ≤ Trong đó αi, βj và γk là các sai số cho phép của các hàm điều kiện và m = m1 + m2 + m3 là tổng số các hàm ràng buộc.
Một phương án thiết kế được gọi là “tối ưu” nếu như nó là phương án “khả thi” và tại đó hàm mục tiêu đạt cực trị (trọng lượng hoặc thể tích của kết cấu đạt giá trị nhỏ nhất):
i (3.44)
f* = min f(x) với xi ≤ xi* ≤
• Tối ưu hóa cục bộ và tối ưu hóa toàn phần: x� Gọi N là tổng số các biến độc lập của mô hình và n là số các biến cần tối ưu thì nếu n ≤
N ta có bài toán tối ưu hóa cục bộ, còn nếu n = N thì ta có bài toán tối ưu hóa toàn phần. • Ràng buộc cục bộ và ràng buộc tổng thể:
Nếu các hàm ràng buộc G(x), H(x) và W(x) lấy trên toàn bộ mô hình thì ta có ràng buộc
tổng thể, còn nếu lấy trên một phần của mô hình thì ta có ràng buộc cục bộ. • Thuật toán tối ưu thiết kế kết cấu:
a) Các xấp xỉ hàm số: Giả sử ký hiệu xấp xỉ của hàm số bằng dấu ^ thì xấp xỉ của hàm mục tiêu và của các hàm ràng buộc được thể hiện như sau:
η (3.45)
f̂(x) = f(x) + 45
(3.46)
(3.47) γ (3.48)
n i
n i
n + ∑ ∑ bijxixj j
g�(x) = g(x) + α h�(x) = h(x) + β Theo tài liệu [51], hình thức phức tạp nhất của xấp xỉ sẽ có dạng: w� (x) = w(x) + (3.49)
Một kỹ thuật bình phương bé nhất của các trọng số sẽ được sử dụng để xác định các hệ f̂ = a0 + ∑ aixi số ai và bij trong phương trình (3.49), ví dụ sai số bình phương bé nhất của hàm mục tiêu có dạng:
(3.50)
Ở đây: φ(j) là trọng số liên quan đến phương án thiết kế thứ j
nd là số lượng các phương án thiết kế hiện thời Đối với các hàm ràng buộc cũng sẽ được suy diễn tương tự như dạng thức của E2 trong phương trình (3.50). Các hệ số trong phương trình (3.50) được xác định bằng việc tối thiểu hóa E2. Các trọng số được sử dụng ở trên được tính theo một trong các cách sau đây:
- Dựa trên các giá trị của hàm mục tiêu, các phương án thiết kế cho giá trị hàm mục tiêu thấp sẽ có trọng số cao. - Căn cứ vào giá trị của biến thiết kế, các phương án thiết kế gần gũi hơn với thiết kế tốt nhất sẽ nhận được trọng số cao. - Dựa trên tính khả thi, phương án khả thi có trọng số cao và phương án không khả thi có trọng số thấp.
Một số lượng nhất định các phương án thiết kế phải tồn tại để hình thành các xấp xỉ, nếu không thì các phương án thiết kế ngẫu nhiên sẽ được tạo ra cho đến khi thu được số lượng yêu cầu. Điều này có thể được diễn tả như sau (với n là số lượng các biến thiết kế, nd là số lượng các phương án thiết kế):
(3.51)
nd < n + 2: sinh ra các phương án thiết kế ngẫu nhiên nd ≥ n + 2: hình thành các xấp xỉ Nếu như nhiều dữ liệu (các phương án thiết kế) được tạo ra thì các thành phần trong phương trình (3.49) tăng lên và thời gian tính toán sẽ nhiều hơn.
b) Tối thiểu hóa các xấp xỉ hàm số: Với các xấp xỉ hàm số có sẵn, vấn đề tối thiểu hóa các ràng buộc được viết lại như sau:
(x) =
Tối thiểu hóa hàm số Thỏa mãn các ràng buộc: xi ≤ xi ≤ (3.52) i (i=1,2,3,…n) (3.53) (3.54)
i + αi (i=1,2,3,…m1) x� i(x) (i=1,2,3,…m2) i + γi (i=1,2,3,…m3) i(x) ≤
(3.55)
f̂ f̂ i(x) ≤ hi - βi ≤ g� g� wi - γi ≤ h� w�
(3.56) Bước tiếp theo là chuyển đổi các phương trình (3.52) đến (3.56) từ vấn đề bị ràng buộc w� thành không bị ràng buộc. Điều này được thực hiện bằng các “hàm phạt”, dẫn đến phát biểu sau đây: Tối thiểu hóa hàm số
min (3.57)
46
Trong đó X là hàm phạt được sử dụng để thực thi các ràng buộc của biến thiết kế; G, H và W là các hàm phạt dành cho các ràng buộc của biến trạng thái (hàm điều kiện). Giá trị của hàm mục tiêu tham khảo f0 được giới thiệu để đạt được các đơn vị phù hợp. Lưu ý rằng hàm mục tiêu không có ràng buộc F(x,pk) được xem là hàm số của các biến thiết kế và số lượng của tham số pk. Một kỹ thuật tối thiểu hóa một dãy không ràng buộc sẽ được sử dụng để giải phương trình (3.57) đối với mỗi lần lặp thiết kế. Chỉ số dưới k phản ánh việc sử dụng các lặp con trong thời gian thực hiện giải bài toán, theo đó các tham số được tăng lên về giá trị (p1 < p2 < p3 v.v..) để đạt được kết quả chính xác và hội tụ.
Tất cả các hàm phạt sử dụng là loại mở rộng bên trong. Ví dụ, ở gần giới hạn trên thì hàm phạt của biến thiết kế được hình thành như sau:
(3.58)
Trong đó: c1, c2, c3 và c4 là các hằng số được tính toán nội bộ
ε là một số dương rất nhỏ Các hàm phạt của các biến ràng buộc cũng được xây dựng tương tự. Ví dụ, ở gần giới hạn trên thì:
(3.59)
Trong đó: d1, d2, d3, và d4 là các hằng số được tính toán nội bộ.
Cũng tương tự như vậy cho các hàm G và H.
(j) khi F(j)
(j), ở đây
(j) tại (j) là vectơ của biến thiết kế
Thuật toán thực hiện để đạt được tối thiểu hóa hàm mục tiêu không ràng buộc
(j).
F� bước lặp thiết kế thứ j, nghĩa là x(j) tương ứng với x� F� x� F�
Bước cuối cùng của việc thực hiện mỗi lần lặp thiết kế là xác định vectơ biến thiết kế để được sử dụng trong các phiên tính tiếp theo (j+1). Vectơ x(j+1) được xác định theo phương trình sau đây:
(3.60)
Trong đó: x(b) là hằng số phương án thiết kế tốt nhất
C – được lựa chọn trong phạm vi giữa 0 và 1, dựa trên số lượng các phương án không khả thi đã tính.
c) Sự hội tụ của bài toán tối ưu thiết kế: Thuật toán xấp xỉ được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được sự hội tụ hoặc là việc chấm dứt sẽ xảy ra. Hai sự kiện này được kiểm tra chỉ khi số lượng của các phương án thiết kế hiện tại nd bằng hoặc vượt quá số lượng cần thiết của các xấp xỉ (xem phương trình (3.51)). Hội tụ được giả định khi phương án thiết kế hiện tại x(j) hoặc phương án thiết kế trước đó, x(j-1), hoặc phương án thiết kế tốt nhất x(b) là khả thi, và một trong các điều kiện sau đây được thỏa mãn:
(3.61)
(3.62)
47
(3.63)
(3.64)
Trong đó: τ và ρi là dung sai của hàm mục tiêu và biến thiết kế.
Nếu như không thỏa mãn được các phương trình từ (3.61) đến (3.64), thì việc chấm dứt
tính toán có thể xảy ra nếu một trong hai điều kiện dưới đây được đạt tới: (3.65) (3.66)
ns=Ns nsi=Nsi Trong đó: ns là số lần tính lặp đi lặp lại. nsi là số phương án thiết kế không khả thi liên tiếp. Ns là số lượng tối đa của lần lặp đi lặp lại. Nsi là số lượng tối đa của phương án thiết kế không khả thi liên tiếp.
Dựa vào khả năng của máy điện toán và phần mềm mô phỏng, kết hợp với các lý thuyết đã nêu ở trên, tác giả đã tiến hành xây dựng một lưu đồ thuật toán riêng và trên cơ sở đó viết một chương trình máy tính để tính toán thiết kế tối ưu cho liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T. Đây là một bài toán mô phỏng phi truyền thống, đòi hỏi phải áp dụng thủ thuật để xây dựng được vòng lặp luân hồi như sau:
Thiết kế Tính toán Kiểm nghiệm Đánh giá Thiết kế Lưu đồ thuật toán tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng phương pháp PTHH do tác giả tự xây dựng được mô tả như hình 3.1 dưới đây.
Mô hình nghiên cứu của luận án là liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T. Giả thiết trong quá trình làm việc liên kết được ngàm ở một đầu, toàn bộ tấm vách chịu một tải
48
trọng phân bố với cường độ q. Sơ đồ tính toán của mô hình nghiên cứu được thể hiện chi tiết như ở hình 3.2. dv
q cao kmh db L rong
Thông số
Thép CCT38 (nguồn: [6])
69e+3 2710 0,33 35 23 204e+3 7800 0,3 250 167 Kim loại mối hàn (AA1100 + ER4043) (nguồn: [46]) 70e+3 2690 0,33 41 27 5 (giả định) Mô đun đàn hồi E [MPa] Khối lượng riêng γ [kg/m3] Hệ số poisson ν Giới hạn chảy YS [MPa] Ứng suất cho phép [σ] [MPa] Độ võng cho phép [∆l] [mm]
Để dễ phân biệt, từ đây trở đi ta sẽ ký hiệu các ứng suất cho phép của thép CCT38 là
[σ]1, của nhôm AA1100 là [σ]2 và của KLMH là [σ]3.
Nhằm khẳng định rõ ý nghĩa và hiệu quả của phương pháp tính toán thiết kế tối ưu kích thước của liên kết hàn bằng phương pháp số, tác giả chọn ngẫu nhiên một phương án thiết kế sơ bộ với các kích thước ban đầu và giả định tải trọng như mô tả trong bảng 3.2. Bảng 3.2 Các kích thước của liên kết hàn chữ T trong phương án thiết kế sơ bộ và tải trọng: Ghi chú
Thông số Tải trọng phân bố trên đơn vị chiều dài Chiều dài dầm Chiều dày tấm vách Chiều dày tấm biên Chiều rộng biên dầm Chiều cao tại đầu ngàm Chiều cao tại đầu tự do Cạnh mối hàn Ký hiệu, đơn vị Giá trị q [N/mm] L [mm] dv [mm] db [mm] Rong [mm] Cao1 [mm] Cao2 [mm] Kmh [mm] 2.5 800 5 5 200 50 50 10 Giả định Không thay đổi Theo nhà sản xuất Theo nhà sản xuất Biến thiết kế Biến thiết kế Biến thiết kế Biến thiết kế
Từ sơ đồ tính toán trên hình 3.2 cùng với các kích thước đã chọn sơ bộ trong bảng 3.2, kết hợp với phần mềm ANSYS 14.0 (chuyên dụng để tính toán thiết kế kết cấu bằng phương pháp PTHH - Finite Element Method - FEM), tác giả tiến hành xây dựng mô hình tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH như thể hiện trên hình 3.3. Do phương pháp PTHH là một phương pháp tính xấp xỉ, nên để cho quá trình tính toán đạt độ chính xác cao, tác giả tiến hành chia lưới ở một mức độ đủ mau cần thiết [10], các phẩn tử được chọn là loại phẩn tử 4 mặt (tứ diện). Trong mô hình FEM trên hình 3.3, tại gốc tọa độ (phía bên
49
phải) được giả định là kết cấu bị ngàm chặt, tải trọng phân bố được đặt trên suốt toàn bộ chiều dài của mô hình và thể hiện bằng các mũi tên hướng xuống (ngược chiều với trục Y).
Ngay cả trong trường hợp, bằng kinh nghiệm người thiết kế lựa chọn phương án thiết kế có chiều cao tại ngàm lớn hơn chiều cao tại đầu tự do và chiều cao vách lớn hơn chiều rộng của biên dầm, thì câu hỏi “giá trị chính xác của các kích thước đó là bao nhiêu để kết cấu vừa đủ độ bền làm việc, không thiếu hay thừa bền?” vẫn gây ra rất nhiều vất vả trong việc tính toán của các nhà thiết kế!
Chương trình máy tính tính toán tối ưu kết cấu hàn mà tác giả xây dựng có nhiều nét độc đáo, nó sẽ trả lời câu hỏi nêu trên một cách nhanh chóng và chính xác. Bất chấp việc lựa chọn phương án thiết kế sơ bộ như thế nào (thừa hay thiếu bền), chỉ sau khoảng 15 phút tính toán (với máy tính cá nhân tốc độ 2GHz, đối với bài toán mô tả trên hình 3.3), máy tính sẽ tự động đưa ra phương án thiết kế hợp lý nhất, theo nghĩa khối lượng hay thể tích vật liệu sử dụng ở mức ít nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo được các điều kiện làm việc (ứng suất cực đại tồn tại trong kết cấu nhỏ hơn ứng suất cho phép đối với vật liệu sử dụng và độ võng lớn nhất trong kết cấu nhỏ hơn độ võng cho phép đối với khẩu độ cụ thể của kết cấu). Việc làm này đem lại lợi ích rất lớn, đặc biệt hữu hiệu đối với các bài toán mới, các bài toán phi tiêu chuẩn vì nó giảm thiểu được rất nhiều thời gian tính toán. Chi tiết tính toán và kết quả tối ưu thiết kế được mô tả trong mục 3.3.2 dưới đây.
3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T 3.3.2.1. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án thiết kế sơ bộ:
50
Tiến hành giải hệ phương trình ma trận (3.35) trong không gian các PTHH với các điều kiện biên và điều kiện tải trọng như mô tả trên hình 3.3 trên nền của phần mềm ANSYS 14.0, ta thu được các kết quả dưới đây. Độ chính xác của phương pháp PTHH so với cách tính toán cổ điển theo sức bền vật liệu đã được kiểm chứng trong tài liệu [52].
Để kiểm tra độ bền của kết cấu ta sử dụng thông số ứng suất tương đương cực đại (σemax) trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cụ thể để so sánh với ứng suất cho phép [σ] của vật liệu chế tạo kết cấu đó. Điều kiện bền chỉ đạt được khi σemax < [σ].
Theo tài liệu [52], ứng suất tương đương σe được tính theo các ứng suất chính σ1, σ2 và σ3 hoặc theo 6 thành phần ứng suất như các công thức dưới đây:
(3.67)
hoặc: (3.68)
Trên hình 3.4 cũng chỉ ra rằng ứng suất lớn nhất đạt được tại đầu ngàm, còn tại đầu tự do thì ứng suất là nhỏ nhất, điều này cũng phù hợp với các lý thuyết về sức bền vật liệu và cơ học kết cấu. Dựa vào dải phổ màu của phân bố ứng suất, chúng ta cũng thấy rằng kết cấu ở trên có nhiều vùng ứng suất rất thấp (các vùng biên dầm và vách dầm ở đầu tự do) nghĩa là có nhiều vùng vật liệu hầu như không chịu tải gây ra sự lãng phí lớn về vật liệu.
51
Trong ANSYS, người ta ký hiệu độ võng theo phương Y (phương đặt tải trên hình 3.3) là Uy. Kết quả tính toán độ võng của kết cấu được thể hiện trên hình 3.5 cho thấy rằng độ võng lớn nhất của mô hình đạt được tại đầu tự do, với trị số Uymax = 0,003803 [m] = 3,803 [mm] < [∆l] (xem bảng 3.1). Nghĩa là kết cấu không bị quá võng. Dấu trừ (-) đứng trước giá trị của độ võng thể hiện rằng chiều bị võng ngược với chiều của trục Y. Trên hình 3.5 cũng thể hiện vị trí ban đầu khi chưa chịu tải (đường nét đứt phía trên) và khoảng di chuyển võng xuống của liên kết khi chịu tải. Độ võng giảm dần từ đầu tự do trở về phía đầu ngàm.
Nhận xét: Qua các kết quả tính toán kiểm tra bền cho phương án thiết kế sơ bộ ở trên ta thấy rằng phương án này vi phạm chỉ tiêu về độ bền của kết cấu, do vậy nó là một phương án không khả thi. Nghĩa là phương án sơ bộ này không đạt yêu cầu, cần phải thiết kế lại.
3.3.2.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T:
Với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T được ngàm một đầu như mô tả trên hình 3.3, trong khi lại sử dụng dầm có tiết diện và chiều cao bằng nhau như vậy là không hợp lý về mặt kết cấu như đã phân tích trong mục 3.3.1.2. Mặt khác, theo như tính toán ở mục 3.3.2.1 thì kết cấu không đủ độ bền vì vậy cần phải thiết kế lại.
Dưới đây sẽ trình bày cách tính toán tự động các kích thước của kết cấu bằng việc áp dụng các thuật toán tối ưu ở mục 3.3.1.1 và lưu đồ thuật toán trên hình 3.1. Chương trình tính toán mô phỏng tối ưu chạy trên phần mềm ANSYS 14.0 được tác giả xây dựng sẽ điều khiển máy tính tự động đưa ra được phương án kết cấu tối ưu (theo nghĩa: có hình dáng hợp lý, tiết kiệm được nhiều vật liệu nhất mà vẫn đảm bảo được các điều kiện làm việc). Để rút ngắn thời gian chạy chương trình, tác giả chia quá trình tính toán tối ưu làm 2 giai đoạn. Giai đoạn 1 sẽ tính tối ưu cho các kích thước chính của liên kết hàn, giai đoạn 2 sẽ tính tối ưu thiết kế kích thước của mối hàn trong liên kết.
Chiều dài hay khẩu độ (L) của dầm là một thông số được chọn trước theo yêu cầu đặt ra của kết cấu, trong khi chiều dày của các tấm vách (dv) và tấm biên (db) được lựa chọn theo dải sản phẩm của nhà chế tạo vật liệu và do tiêu chuẩn quy định, nên ở giai đoạn 1 này sẽ
52
chỉ tiến hành tính toán tối ưu các kích thước chiều rộng biên dầm, chiều cao tại ngàm và tại đầu tự do. Nghĩa là các “biến thiết kế” ở đây gồm: x = {Cao1, Cao2, Rong}. Trong trường hợp tính toán cho kết cấu vỏ tàu thì chiều rộng biên dầm sẽ là thông số cố định chứ không phải là biến thiết kế!.
Do kết cấu tính toán ở đây có tới 3 loại vật liệu với các ứng suất cho phép khác nhau kèm với 1 điều kiện yêu cầu về độ võng khi làm việc (bảng 3.1), nên các hàm ràng buộc dùng để kiểm tra điều kiện bền khi tính toán tối ưu ở mục 3.3.1.1 được hiện thực hoá cụ thể trong trường hợp này như sau (chỉ có loại hàm giới hạn trên: Gi(x) ≤ i với i = 1 ÷ 4 như công thức (3.38)): g�
Trong tấm vách: Smax1 ≤ [σ]1 (3.69) Trong tấm biên: Smax2 ≤ [σ]2 (3.70) Trong mối hàn: Smax3 ≤ [σ]3 (3.71) Trên kết cấu: Umax ≤ [∆l] (3.72) Phương án khả thi là phương án thoả mãn đồng thời các điều kiện trong các biểu thức (3.69), (3.70), (3.71) và (3.72). Thực hiện chương trình tính toán tự động như đã giới thiệu, máy tính liệt kê tất cả các phương án thiết kế khi tính toán tối ưu (hình 3.6). Chúng ta thấy rằng, trong số các phương án khả thi 2, 3, 4, 5, 6, 8 và 10 thì phương án thiết kế số 10 có thể tích vật liệu nhỏ nhất trong số các phương án khả thi đó và đây chính là phương án thiết kế “tối ưu“.
So sánh phương án sơ bộ ban đầu (phương án 1, SET 1) với phương án tối ưu số 10 ta thấy rằng: phương án 1 không khả thi (ứng suất trong tấm vách và tấm biên lớn hơn giá trị cho phép) trong khi sử dụng hết 0,00108 m3 vật liệu (biến Vtot), còn phương án số 10 chỉ cần sử dụng 0,00065348 m3 vật liệu mà vẫn đảm bảo độ bền. Nghĩa là chỉ cần sử dụng 60,51% lượng vật liệu so với phương án 1 (trong trường hợp này đã tiết kiệm được 39,49% thể tích vật liệu) mà độ bền và độ võng vẫn bảo đảm nhỏ hơn giá trị cho phép (hình 3.6). Đối với các kết cấu lớn, phức tạp và vật liệu đắt tiền thì phương pháp tính toán thiết kế tối ưu này có ý nghĩa đặc biệt lớn về các mặt kỹ thuật và kinh tế.
53
a) Phương án thiết kế sơ bộ b) Phương án thiết kế số 10 (tối ưu)
Thông số Chiều dài dầm (L) [mm] Chiều rộng biên dầm (Rong) [mm] Chiều cao tại ngàm (Cao1) [mm] Chiều cao tại đầu tự do (Cao2) [mm] Cạnh mối hàn (Kmh) [mm] Chiều dày tấm vách (dv) [mm] Chiều dày tấm biên (db) [mm] Tổng thể tích của kết cấu [mm3] Kiểm tra Phương án 1 800 200 50 50 10 5 5 1080 Không đủ độ bền Phương án 10 800 66,377 141,99 11,996 10 5 5 653,48 Đủ độ bền
Sử dụng kết quả tính toán tối ưu ở trên tức là cần phải thay đổi chiều rộng biên dầm, chiều cao vách dầm tại đầu ngàm và tại đầu tự do so với phương án thiết kế ban đầu. Do kết quả mà máy tính đưa ra ở hình 3.6 (hoặc bảng 3.3) thường là các con số rất lẻ, khi chế tạo cần phải được làm tròn số. Trong trường hợp này ta làm tròn số như sau: Cao1 = 142 mm, Cao2 = 12 mm, Rong = 67 mm.
Sử dụng các số liệu đã thay đổi này, tác giả tiến hành tính tối ưu giai đoạn 2 bằng việc xây dựng một chương trình mô phỏng số 2 để tính toán kích thước của mối hàn. Kết quả tính toán kích thước tối thiểu cần thiết của cạnh mối hàn góc (Kmh) trong trường hợp này được thể hiện trong hình 3.8 dưới đây.
54
Kết quả tính trên hình 3.8 cho thấy phương án được khuyên chọn (phương án số 4 của chương trình tính số 2) có Kmh = 5,0936 mm. Trong thực tế chế tạo, để tránh phức tạp ta tiến hành làm tròn số với Kmh = 5 mm. Sử dụng tất cả các kết quả tính toán tối ưu ở trên, ta chọn được phương án thiết kế cuối cùng với các kích thước cụ thể như sau: Bảng 3.4 So sánh kích thước của kết cấu ban đầu và của phương án được chọn Thông số
Phương án 1 800 200 50 50 5 5 10 Phương án được chọn 800 67 142 12 5 5 5
Chiều dài dầm (L) [mm] Chiều rộng biên (Rong) [mm] Chiều cao tại ngàm (Cao1) [mm] Chiều cao tại đầu tự do (Cao2) [mm] Chiều dày tấm vách (dv) [mm] Chiều dày tấm biên (db) [mm] Cạnh mối hàn (Kmh) [mm] Cuối cùng cần phải tiến hành kiểm tra điều kiện làm việc của phương án được chọn trong bảng 3.4 để xác nhận tính phù hợp trước khi kết thúc giai đoạn thiết kế để chuyển sang giai đoạn chế tạo. Kết quả tính toán ứng suất tương đương trong kết cấu của phương án được chọn thể hiện trên hình 3.9.
Trong trường hợp này ứng suất tương đương cực đại xuất hiện tại mặt trên của tấm vách và đạt giá trị Seqvmax = 38 [MPa] < [σ]1, nghĩa là kết cấu đảm bảo đủ độ bền. Chúng ta cũng thấy rằng ứng suất phân bố đều khắp trên kết cấu, các vùng vật liệu đều chịu tải tức là kết cấu này ít lãng phí về vật liệu. Kết quả tính toán độ võng trên kết cấu của phương án được chọn thể hiện trong hình 3.10. Với phương án này, độ võng cực đại ở tại đầu tự do đạt giá trị Uymax = 0,86 mm < [∆l], nghĩa là kết cấu không bị quá võng.
55
Như vậy phương án được chọn trong bảng 3.4 thỏa mãn các điều kiện làm việc và sẽ được sử dụng làm số liệu đầu vào trong các nghiên cứu tiếp theo dưới đây.
Các kết luận ở chương 2 cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số cốt lõi quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm với thép, do vậy ở phần này sẽ tiến hành tính toán mô phỏng quá trình hàn TIG liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T đã xác định ở phần 3.3 nhằm mục đích đưa ra các dự báo trước về chu trình nhiệt hàn và thời gian khuếch tán kim loại,… để thông qua đó tìm ra được dải chế độ công nghệ hàn (dải năng lượng đường) phù hợp cho quá trình thực nghiệm ở chương 4.
3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T 3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG:
Bài toán mô phỏng ở đây thực chất là tiến hành giải hệ phương trình ma trận (3.37) trong không gian các PTHH thông qua phần mềm chuyên dụng Sysweld, trong đó thông số đầu vào hết sức quan trọng của bài toán mô phỏng quá trình hàn chính là mô hình nguồn nhiệt sử dụng. Tùy thuộc vào loại quá trình hàn sử dụng mà ta lựa chọn mô hình nguồn nhiệt phù hợp. Tác giả Radaj [59] đã nghiên cứu rất chuyên sâu về các loại mô hình nguồn nhiệt trong các quá trình hàn khác nhau, trong đó kết luận rằng nguồn nhiệt dùng để mô phỏng quá trình hàn hồ quang nói chung sẽ có dạng hai nửa elipsoid (hình 3.11). Các quá trình hàn MMA, TIG, MIG/MAG sẽ giống nhau về dạng mô hình nguồn nhiệt, chúng chỉ khác nhau về các giá trị nhiệt hiệu dụng cũng như kích thước của nguồn nhiệt – điều này cũng đã được Sysweld thừa nhận. Do đó tác giả sẽ sử dụng nguồn nhiệt elipsoid này để nghiên cứu.
56
Theo tài liệu [53], để mô phỏng số, tác giả Goldak đã đưa ra một dạng rút gọn và tương đương của mô hình nguồn nhiệt nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho phần mềm Sysweld thực thi như sau:
(3.73)
Ngoài mô hình nguồn nhiệt nêu trên, để tính toán mô phỏng chúng ta cần phải tổng hợp được một bộ thông số đầy đủ về cơ – nhiệt – kim loại học của vật liệu nghiên cứu. Ở đây cần phải lưu ý rằng bài toán mô phỏng quá trình hàn sẽ nghiên cứu sự thay đổi các thuộc tính của vật liệu liên tục từ trạng thái nhiệt độ thường (25oC) đến trạng thái nóng chảy. Nghĩa là vật liệu có tính chất phi tuyến phức tạp chứ không phải là tuyến tính hay hằng số như trong bài toán kết cấu. Đối với các vật liệu thép và nhôm, trong phần mềm Sysweld người ta quy ước ký hiệu của các tổ chức như mô tả trong bảng 3.5 dưới đây: Bảng 3.5 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn (nguồn: [53]) Thép Nhôm và hợp kim nhôm Tổ chức ban đầu (Ferrite/Pearlite) Tổ chức ban đầu (tổ chức T6 hoặc hợp kim Pha 1
Pha giả (dùng cho vật liệu hàn) Tổ chức Martensite 2 3
Tổ chức Bainite 4
Tổ chức sau khi ram Tổ chức Austenite hóa bền biến dạng) Pha giả (dùng cho vật liệu hàn) Tổ chức mới (tổ chức T4 chưa hóa già hoặc tổ chức không biến cứng kết tủa) Tổ chức có độ bền yếu (tổ chức T4 hoặc tổ chức kết tinh lại) 5 6
57
Trong quá trình hàn, các vật liệu sẽ thay đổi trạng thái liên tục từ nhiệt độ môi trường cho đến nhiệt độ nóng chảy. Các tính chất của vật liệu phụ thuộc vào tổ chức cụ thể của chúng đồng thời là hàm số của nhiệt độ và được mô tả trong các hình dưới đây:
58
Hình 3.16 Hệ số dẫn nhiệt của thép CCT38 (trái) và của nhôm AA1100 (phải) (nguồn: [53])
3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng:
Đối tượng mô phỏng là liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T có chiều dày 5 mm như đã xác định trong phần 3.3. Vật liệu tấm dưới là nhôm AA1100, vật liệu tấm đứng là thép CCT38 còn vật liệu dây hàn là ER4043 như đã chọn trong mục 2.3.5. Thành phần hóa học của chúng đã được mô tả trong các bảng 2.1, 2.4 và 2.9 ở chương 2. Tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép sẽ thực hiện quá trình hàn vảy, nên để bảo đảm khả năng liên kết tốt, tấm thép sẽ được vát mép và để khe hở hàn 1,5 mm. Kết cấu của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T được thể hiện trên hình 3.17.
Nhằm mục đích đạt được độ chính xác cao khi tính toán, tác giả sử dụng PTHH loại 5 mặt, 15 nút để tiến hành chia lưới cho mô hình. Kết quả sau khi chia lưới được thể hiện trên hình 3.18 dưới đây.
59
Sysweld là phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình hàn, nó cho phép khai báo quỹ đạo đường hàn ở dạng bất kỳ sao cho phù hợp với thực tế dịch chuyển của mỏ hàn (kể cả quỹ đạo là đường cong 3D, có hoặc không dao động ngang, quỹ đạo dao động ngang bất kỳ). Sysweld cũng cho phép và yêu cầu khai báo chính xác các nút bắt đầu và kết thúc hàn.
Đối với bài toán này, nhằm khống chế vũng hàn ở mức tối thiểu, sử dụng năng lượng đường thấp nhất có thể nên quỹ đạo mỏ hàn thích hợp nhất là dạng đường thẳng và không có dao động ngang. Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt trên hình 3.12 sẽ di chuyển dọc theo quỹ đạo đường hàn đã khai báo với một vận tốc đều bằng với vận tốc hàn trong thực tế. Kết quả xây dựng quỹ đạo đường hàn, đường dẫn, nút bắt đầu và nút kết thúc hàn được thể hiện trong hình 3.19 dưới đây.
Nút bắt đầu trên mô hình mô phỏng chính là điểm khởi động hồ quang trong thực tế. Do ban đầu chi tiết hàn còn nguội nên tốc độ tản nhiệt sẽ nhanh. Để đảm bảo độ ngấu tại vị trí bắt đầu hàn thì cần phải tăng giá trị nhiệt cấp vào cao hơn so với định mức bằng các kỹ thuật “khởi động nóng – hot start” hoặc di chuyển chậm mỏ hàn. Nút kết thúc trên mô hình mô phỏng chính là điểm dừng hàn (tắt hồ quang) trong thực tế. Tại đây do nhiệt lượng cấp vào đường hàn đã nhiều nên nhiệt độ tại đây rất cao (vũng hàn có nguy cơ lớn hơn định mức, thậm chí chi tiết hàn bị cháy thủng), do vậy để bảo đảm đường hàn đều từ đầu đến cuối, tránh hiện tượng bị cháy thủng hay quá nhiệt thì ta cần phải giảm lượng nhiệt cấp vào bằng các kỹ thuật “giảm dòng hàn – down slope” hoặc di chuyển nhanh mỏ hàn (hình 3.20). Tất cả các kỹ thuật này đều được đưa vào trong mô hình tính toán nhằm mục đích mô tả giống hệt với thực tế.
Hình 3.20 Sử dụng các kỹ thuật "khởi động nóng" và "giảm dòng hàn"
Cũng với yêu cầu mô phỏng giống với quá trình sẽ diễn ra trong thực tế, ta cần phải sử dụng điều kiện biên truyền nhiệt như mô tả trên hình 3.21. Biên chính là lớp “vỏ” của mô
60
hình nghiên cứu – nơi sẽ xảy ra quá trình truyền nhiệt từ mô hình ra môi trường bên ngoài bằng đối lưu và bức xạ. Giá trị hàm số truyền nhiệt này được xác định bằng thực nghiệm và được đưa vào phần mềm để tính toán [53].
Đối với bài toán đa trường như đã mô tả trong phần cơ sở lý thuyết (mục 3.2), để phân tích đầy đủ các ứng xử của liên kết hàn về mặt cơ học, chúng ta cũng cần phải sử dụng đến điều kiện biên gá kẹp khi hàn. Vị trí gá kẹp cũng như kiểu gá kẹp (kẹp chặt hay kẹp đàn hồi) cần phải được mô tả đúng như quá trình thực nghiệm.
Áp dụng các kết quả nghiên cứu ở chương 2, trong trường hợp này ta sử dụng giải pháp kẹp chặt tại 3 mép của liên kết hàn như thể hiện trên hình (3.22), nghĩa là tại 3 mép của liên kết hàn được khống chế chuyển vị theo cả 3 phương X, Y, Z.
Điều kiện ban đầu của bài toán mô phỏng dạng này chính là nhiệt độ của chi tiết trước khi hàn và ứng suất có sẵn trong nó. Để đơn giản, ta giả thiết các chi tiết hàn không có ứng suất trước khi hàn mối hàn 1. Nhiệt độ ban đầu đối với mối hàn 1 bằng nhiệt độ của môi trường (25oC), nhiệt độ ban đầu đối với mối hàn 2 (mối hàn phía đối diện) chính là trường nhiệt độ do mối hàn 1 gây ra. Trong trường hợp này, áp dụng các kết quả nghiên cứu ở chương 2 nhằm kiểm soát chu trình nhiệt một cách chính xác và khống chế vũng hàn nhỏ nhất có thể nên trước khi hàn mối hàn ở phía đối diện (mối hàn 2), liên kết hàn phải được để nguội đến nhiệt độ môi trường, nghĩa là nhiệt độ ban đầu của mối hàn 2 cũng bằng 25oC. Ứng suất ban đầu đối với mối hàn 2 chính là trường ứng suất do mối hàn 1 gây ra.
61
3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T 3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trong tiết diện ngang của liên kết hàn:
Sysweld là một phần mềm PTHH cực mạnh chuyên dụng cho mô phỏng các quá trình hàn và xử lý nhiệt kim loại, nó cho phép mô phỏng các bài toán một cách đầy đủ và toàn diện nhất, trong đó cho phép quan tâm đầy đủ các yếu tố liên quan nhằm mô tả quá trình mô phỏng giống với thực tế nhất. Trong số đó phải kể đến việc mô tả ảnh hưởng của góc nghiêng của mỏ hàn đến hình dáng và kích thước mối hàn mà được thể hiện bằng phân bố trường nhiệt độ.
Trên hình 3.23 mô tả quy ước về góc nghiêng của mỏ hàn Ay trong hệ trục tọa độ của nguồn nhiệt hàn, trong đó trục Y là trục di chuyển của nguồn nhiệt hàn dọc theo mối hàn. Trục Z là trục của nguồn nhiệt hàn, chiều của trục Z ngược với chiều tác động của nguồn nhiệt hàn lên mô hình tính toán. Trục X là trục hợp với trục Y một góc 90o thành mặt phẳng chịu tác động trực tiếp của nguồn nhiệt đưa vào.
Do liên kết hàn là góc chữ T, với mỏ hàn TIG có đường kính chụp khí từ 10 – 12 mm nên vùng không gian thao tác được của mỏ hàn bị hạn chế. Do vậy tác giả chỉ nghiên cứu thay đổi góc nghiêng của mỏ hàn trong phạm vi có thể thao tác được mỏ hàn trong thực tế. Kết quả tính toán với nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2100 W, vận tốc hàn Vh = 3 mm/s (tương ứng với năng lượng đường 700 J/mm) cho các trường hợp góc nghiêng mỏ hàn Ay khác nhau được thể hiện trên hình 3.24.
Chúng ta thấy rằng phân bố trường nhiệt độ trong các trường hợp này là khác nhau. Góc nghiêng Ay càng lớn thì nhiệt có xu hướng truyền vào tấm vách (thép CCT38) nhiều hơn, như vậy tấm thép sẽ nóng hơn (dễ bị quá nhiệt) và khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH cũng sẽ lớn hơn. Điều này là không có lợi vì sẽ hình thành lớp IMC có chiều dày lớn, sẽ làm cho mối hàn bị nứt mạnh.
Khi hướng mỏ hàn về phía tấm thép (hình 3.24a), hồ quang sẽ tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho bề mặt tấm thép có nguy cơ bị nóng chảy cục bộ (do nhiệt độ của hồ quang rất cao), điều này cũng sẽ dẫn đến việc hình thành các tổ chức liên kim rất nhiều làm cho mối hàn bị giòn và nứt. Vì thế tuyệt đối không được để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép.
Do đó, muốn lớp IMC mỏng hoặc thậm chí không kịp xuất hiện thì chúng ta nên sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ (hình 3.24c). Theo xu hướng này thì góc nghiêng mỏ hàn bằng 0o là tốt nhất, tuy nhiên lại bị vướng bởi kích thước chụp khí của mỏ hàn TIG và chiều dài chuôi của mỏ hàn, vì vậy trong thực tế thực nghiệm ta sẽ sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ nhất có thể đối với đường kính cụ thể của từng chụp khí. Với trường hợp hàn liên kết góc, tấm dày 5 mm, ta lựa chọn chụp khí có đường kính 10 mm như đã trình bày ở
62
a) Ay=70o
chương 2 thì góc nghiêng mỏ hàn thích hợp nhất là 20o. Từ đây về sau ta sẽ chỉ tính toán và thực nghiệm với góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o cho tất cả các trường hợp.
c) Ay=20o
3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T:
Áp dụng góc nghiêng mỏ hàn 20o như đã nêu, tiến hành tính toán mô phỏng cho trường hợp nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2400 W, vận tốc hàn Vh = 3,5 mm/s (năng lượng đường q = 686 J/mm) ta được trường nhiệt độ phân bố tức thời khi nguồn nhiệt hàn di chuyển đều đến giữa mô hình (ở thang đo hẹp) như mô tả trên hình 3.25.
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, mặc dù hai tấm có chiều dày như nhau, nhưng do nhôm AA1100 (tấm dưới) có hệ số dẫn nhiệt cao hơn thép CCT38 (tấm đứng) rất nhiều, nên nhiệt sẽ lan truyền trong tấm dưới nhanh hơn. Biểu thị trên hình 3.25 là các đường đẳng nhiệt thưa trên tấm nhôm và rất mau trên tấm thép. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong tấm nhôm cũng sẽ lớn hơn trong tấm thép. Nghĩa là trong liên kết hàn kiểu này sẽ tồn tại hai xu hướng đối lập nhau. Ở phía tấm nhôm sẽ là xu hướng tản nhiệt đi nhanh, còn ở phía tấm thép có xu hướng tích tụ nhiệt do tản nhiệt chậm trong khi quá trình hàn lại cấp nhiệt liên tục. Cả hai xu hướng kể trên đều là bất lợi cho quá trình hàn liên kết hybrid nhôm – thép kiểu này vì phía tấm nhôm khó hình thành mối hàn nóng chảy còn phía tấm thép lại khó tạo ra liên kết hàn vảy. Do đó việc tìm ra vùng năng lượng đường đồng thời thỏa mãn hai yêu cầu: vừa đủ nhiệt để làm nóng chảy tấm nhôm AA1100, vừa không được quá lớn để tránh làm quá nhiệt tấm thép CCT38 là rất quan trọng nhằm bảo đảm thực hiện được liên kết hybrid dạng này.
63
nguồn nhiệt di chuyển đến giữa mô hình (P=2400W, Vh=3,5mm/s)
Hình 3.25 Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T khi
Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang của liên kết, ngang qua tâm của nguồn nhiệt hàn được thể hiện trên hình 3.26. Trong tiết diện ngang này cũng thể hiện rất rõ hai xu hướng đối lập kể trên. Để hạn chế các xu hướng này, chúng ta cần phải áp dụng các giải pháp kỹ thuật đi kèm. Một trong các giải pháp kỹ thuật cần phải được áp dụng đó là cách điều chỉnh góc nghiêng mỏ hàn Ay như đã trình bày trong mục 3.4.2.1
khi hàn với công suât nhiệt hiệu dụng P=2400W, vận tốc hàn Vh=3,5mm/s
Hình 3.26 Trường nhiệt độ phân bố trên tiết diện ngang liên kết hybrid nhôm – thép chữ T
Mục đích của chúng ta là tìm ra được bộ thông số công nghệ P và Vh (đặc trưng bởi năng lượng đường q) phù hợp tương ứng để đảm bảo tấm thép CCT38 không bị quá nhiệt hay nóng chảy và tấm nhôm AA1100 không bị cháy thủng đồng thời phải hình thành được
64
vũng hàn. Trong thực tế để thực hiện được điều này là rất khó khăn, bởi vì một mặt ta cần phải sử dụng nguồn nhiệt có năng lượng đủ lớn và tập trung để làm nóng chảy tấm nhôm phía dưới, mặt khác lại phải hạn định lượng nhiệt truyền vào tấm thép để không bị quá nhiệt. Mặt khác, một yêu cầu bắt buộc là phải hình thành được vũng kim loại nóng chảy của mối hàn để liên kết với tấm nhôm và chảy tràn (thấm ướt) lên bề mặt tấm thép một cách đều đặn và ổn định. Nghĩa là chúng ta phải tìm ra và khống chế chặt chẽ cả cận trên và cận dưới của bộ thông số công nghệ hàn.
Nếu chỉ nghiên cứu bằng thực nghiệm đơn thuần để tìm ra bộ thông số công nghệ hàn phù hợp cho liên kết hoàn toàn mới kiểu này thì sẽ mất rất nhiều thời gian và đặc biệt là tốn rất nhiều vật liệu cũng như các chi phí thực nghiệm. Tuy nhiên bằng mô phỏng, chúng ta hoàn toàn có thể dự báo trước được vùng thông số công nghệ phù hợp đó, giúp cho quá trình thực nghiệm nhanh đạt đến đích và tiết kiệm được nhiều chi phí nghiên cứu (do không phải mất thời gian và chi phí thử nghiệm ở các vùng thông số không phù hợp). Đó cũng chính là lý do của việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng thay vì phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Toàn bộ quá trình tính toán để tìm ra bộ thông số công nghệ phù hợp được trình bày trong các nội dung dưới đây.
a) P=2400 W, Vh=3 mm/s
b) P=2400 W, Vh=3,5 mm/s
Với liên kết hàn dày 5 mm như đã xác định ở phần 3.3, tiến hành tính toán cho các trường hợp tốc độ hàn khác nhau trong khi sử dụng cùng công suất nhiệt hiệu dụng P = 2400 W và góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o được thể hiện trên hình 3.27 dưới đây.
c) P=2400 W, Vh=4 mm/s
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với cùng công suất nhiệt hiệu dụng cấp vào mô hình, các vận tốc hàn khác nhau sẽ đưa đến các kết quả rất khác nhau. Với công suất P kể trên, trong trường hợp hàn ở tốc độ 3 mm/s thì mối hàn bị thủng tấm dưới và chân mối hàn cũng
65
bị ngấu quá mức (hình 3.27a). Khi hàn ở tốc độ Vh = 3,5 mm/s thì tấm nhôm phía dưới không bị sụt, vừa đủ ngấu chân và tấm thép cũng không bị nóng chảy (hình 3.27b), còn khi hàn với vận tốc cao hơn (4 mm/s) thì mối hàn lại không đủ ngấu chân (hình 3.27c).
Như vậy, nếu sử dụng công suất nhiệt P = 2400 W thì chỉ nên hàn ở vận tốc hàn 3,5 mm/s là phù hợp. Thực hiện ở chế độ này thì sẽ đảm bảo hình thành mối hàn tốt ở phía liên kết với tấm nhôm AA1100 và cả ở phía liên kết với tấm thép CCT38.
Tương tự như vậy, với chương trình máy tính này chúng ta hoàn toàn có thể tính toán mô phỏng cho hàng loạt các trường hợp năng lượng đường (công suất nhiệt hiệu dụng P và vận tốc hàn Vh khác nhau). Các kết quả tìm được của bộ thông số công nghệ hàn thông qua tính toán mô phỏng ở chương này sẽ được dùng để thực nghiệm trong chương 4. 3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng:
Các kết quả đưa ra trong mục 3.4.2.2 chủ yếu có tính chất định tính, nhằm đánh giá sơ bộ về quá trình. Để biết chính xác chu trình nhiệt hàn tại những vị trí quan trọng, thông qua đó có thể đánh giá được quá trình khuếch tán kim loại, khả năng hình thành mối hàn,… chúng ta cần phải biết được chính xác sự biến thiên của nhiệt độ theo thời gian (với các giá trị cụ thể) tại những vị trí quan trọng cần khảo sát.
Đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T này, các vị trí cần khảo sát được mô tả trong hình 3.28 và bảng 3.6 dưới đây. Trong đó, nhiệt độ cực đại và thời gian lưu kim loại ở nhiệt độ cao (trên 600oC, nhưng phải thấp hơn 1450oC) của các nút 2027, 2026, 1814 và 1597 trong tiết diện ngang của mô hình là những thông số rất quan trọng, quyết định đến khả năng khuếch tán, hòa tan, tiết ra các tổ chức IMC cũng như chiều dày của lớp IMC đó.
Theo các định luật khuếch tán kim loại (định luật Fick I và II), quá trình khuếch tán kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian, quá trình khuếch tán kim loại còn phụ thuộc vào bản chất của từng kim loại và môi trường khuếch tán cụ thể [7, 8]. Đối với một loại nguyên tử nào đó, nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán càng nhanh, lượng nguyên tử khuếch tán càng nhiều. Thời gian càng lâu thì lượng nguyên tử khuếch tán cũng càng nhiều và chiều sâu khuếch tán sẽ tăng lên. Khả năng khuếch tán trong môi trường lỏng sẽ dễ dàng hơn khuếch tán trong môi trường rắn rất
66
nhiều (theo giả thuyết của luận án này). Môi trường nào có “vật cản” thì môi trường đó sẽ hạn chế khả năng khuếch tán của các nguyên tử ngoại lai. Bảng 3.6 Mô tả các nút cần khảo sát Các yếu tố cần khảo sát
Nút 2027 2026 1814 1597 2620 2527 1594 khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại, ngấu chân mối hàn khả năng bị nóng chảy, khuếch tán kim loại, ngấu chân mối hàn khả năng ngấu mặt khả năng bị cháy thủng khả năng bị cháy thủng
Trong trường hợp hàn hybrid này có thể dự báo trước rằng các nguyên tử Fe khuếch tán từ tấm thép CCT38 vào trong KLMH sẽ dễ dàng hơn so với các nguyên tử Al khuếch tán từ KLMH vào trong tấm thép. Trong khi lượng hòa tan tối đa của Fe trong Al chỉ là 0,05% nên đây là một rủi ro rất lớn. Khi lượng khuếch tán vượt quá giới hạn hòa tan tối đa này, sẽ xảy ra hiện tượng “tích tụ” nguyên tử ngoại lai (Fe) và dẫn đến hình thành các tổ chức hoặc các hợp chất mới. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng nút nào có nhiệt độ càng cao thì nút đó sẽ có thời gian khuếch tán càng lâu, dẫn đến khả năng hình thành lớp IMC sẽ nhiều hơn và nguy cơ nứt khi đó cũng cao hơn.
Hình 3.29 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3mm/s
Với chế độ hàn P = 2400 W và Vh = 3 mm/s, đồ thị chu trình nhiệt hàn tại các nút đã nêu trên hình 3.28 thu được sau mô phỏng như trình bày trên hình 3.29. Tại nút 2527 nhiệt độ vượt quá điểm nóng chảy của nhôm AA1100, nghĩa là mối hàn bị cháy thủng tại đó (vết sụt sẽ chạy dọc theo mối hàn). Nhiệt độ tại nút 2026 đạt giá trị cao nhất trong số các nút khảo sát (trên 1000oC) và vị trí này cũng có thời gian khuếch tán lâu nhất (khoảng 12 giây). Điều này có thể giải thích rằng tại vị trí góc, sự truyền nhiệt là tổng hợp theo 2 phương nên nhiệt độ tại đó sẽ lớn hơn. Do có nhiệt độ cao, trong khi thời gian khuếch tán lại lâu nên khả năng tại vị trí góc này sẽ có lớp IMC dày nhất. Tại chân mối hàn (nút 1597) có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm khá nhiều, nên tại đây sẽ có nguy cơ bị
67
sụt chân mối hàn. Từ những nhận xét trên có thể kết luận rằng chế độ công nghệ này không phù hợp để hàn liên kết nhôm – thép như đề cập.
Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3,5mm/s
Đồ thị chu trình nhiệt hàn tại các nút khảo sát đã nêu ứng với chế độ hàn P = 2400W, Vh = 3,5 mm/s được thể hiện trên hình 3.30. Trong trường hợp này, thời gian khuếch tán tối đa khoảng 7,5 giây đạt được cũng tại nút 2026. Nhiệt độ tại các nút 2527 và 1594 không vượt quá điểm nóng chảy của nhôm nên mối hàn không bị sụt chân. Nút 2620 vừa đạt tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm nên bảo đảm khả năng ngấu mặt mối hàn. Tại vị trí chân mối hàn nhiệt độ cũng không quá lớn nên khả năng sụt chân không xảy ra. Toàn bộ bề mặt tấm thép bảo đảm không bị nóng chảy (nhiệt độ tối đa đạt khoảng 970oC). Như vậy chế độ hàn này đáp ứng được các yêu cầu cần thiết.
Khi hàn ở tốc độ nhanh hơn (Vh = 4 mm/s) trong khi vẫn sử dụng công suất nhiệt hiệu dụng P = 2400 W, chu trình nhiệt tại các nút khảo sát được thể hiện trên hình 3.31. Trong trường hợp này, thời gian khuếch tán tối đa là khoảng 6 giây (tại nút 2026). Nhiệt độ trên bề mặt của tấm thép không cao lắm (tối đa 940oC) nên lớp liên kim IMC sẽ có chiều dày nhỏ. Tuy nhiên, mối hàn này có một nhược điểm cơ bản là không ngấu chân vì nhiệt độ tại nút 1597 chưa đạt tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Như vậy chế độ hàn này cũng không phù hợp để hàn liên kết hybrid nhôm – thép với chiều dày 5 mm.
68
Hình 3.31 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=4mm/s
3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng hình thành liên kết hàn
Sử dụng chương trình tính toán mô phỏng bằng phần mềm Sysweld mà tác giả đã xây dựng được lần đầu tiên ở Việt Nam, để tiến hành tính toán cho liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng chữ T chiều dày 5mm ở hàng loạt các trường hợp năng lượng đường (chế độ công nghệ hàn) khác nhau, kết quả tính toán được trình bày trong các phần dưới đây. 3.4.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại trong tiết diện ngang liên kết hàn hybrid nhôm – thép:
Như đã phân tích, nhiệt độ và thời gian khuếch tán là hai trong số những thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng hình thành liên kết trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép. Xét tại tiết diện ngang của mối hàn, các vị trí cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn là các nút thuộc mối hàn và nằm trên bề mặt tấm thép (các nút 2027, 2026, 1814 và 1597); nút 2620 nằm trên bề mặt mối hàn, tại vị trí tiếp giáp với tấm nhôm AA1100; các nút 2527 và 1594 tại mặt dưới của tấm nhôm.
Trong đó các nút 2027, 2026, 1814 và 1597 sẽ được xác định nhiệt độ cực đại và thời gian khuếch tán kim loại, nhằm đánh giá xem bề mặt tấm thép có bị nóng chảy hay không, thời gian khuếch tán có phù hợp hay không. Riêng tại 2 nút 1814 và 1597 còn phải xem xét đến khả năng ngấu hết chân mối hàn. Nút 2620 được theo dõi về nhiệt độ xem có đủ để nóng chảy mép hàn nhằm tạo liên kết tốt với tấm nhôm phía dưới hay không. Hai nút 2527 và 1594 phải được xem xét về nhiệt độ để đánh giá xem quá trình hàn có gây ra hiện tượng sụt mối hàn hay không.
Theo các kết quả tính toán trong mục 3.4.2.1 thì góc nghiêng của mỏ hàn ảnh hưởng lớn đến khả năng làm nóng chảy cục bộ của bề mặt tấm thép, vì vậy việc sử dụng góc nghiêng của mỏ hàn hợp lý là điều rất cần thiết. Trong các tính toán dưới đây, tác giả sẽ chỉ sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ nhất trong phạm vi có thể thao tác được trong thực tế (Ay = 20o). Kết quả tính toán trong các mục 3.4.2.2 và 3.4.2.3 chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại trong liên kết hàn được quyết định bởi công suất nhiệt hiệu dụng cấp vào vùng
69
hàn (P) và vận tốc hàn Vh, nghĩa là phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng đường q = P/Vh [J/mm]. Kết quả tính toán cho 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với chiều dày 5 mm được thể hiện trên hình 3.32.
Kết quả tính toán trên hình 3.32 cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường thấp hơn 640 J/mm thì nhiệt độ cực đại tại các nút khảo sát cũng thấp dẫn đến hiện tượng mối hàn tuy không bị sụt, bề mặt tấm thép không bị nóng chảy nhưng lại không ngấu chân. Khi hàn với năng lượng đường cao hơn 720 J/mm thì mối hàn sẽ bị sụt, bề mặt tấm nhôm bị chảy loang quá mức dẫn đến mối hàn không đẹp. Khi hàn với năng lượng đường nằm trong phạm vi từ 640 J/mm đến 680 J/mm thì tấm nhôm không bị sụt nhưng mối hàn lại không đủ ngấu mặt nghĩa là không hình thành được liên kết với phía tấm nhôm. Trong trường hợp này, khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải 680 – 720 J/mm thì nhận được liên kết hàn không bị sụt, ngấu cả chân lẫn mặt mối hàn và nhiệt độ trên bề mặt của tấm thép lớn nhất cũng chỉ là 820o, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của thép CCT38 rất nhiều.
Như vậy thông qua tính toán mô phỏng bằng phần mềm Sysweld, tác giả đã lần đầu tiên tìm ra được vùng năng lượng đường phù hợp để hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T chiều dày 5 mm là 680 – 720 J/mm. Vùng năng lượng đường này có thể coi là dải năng lượng đường tối ưu đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm và sẽ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm ở chương 4.
Chúng ta thấy rằng dải năng lượng đường tối ưu trong trường hợp hàn liên kết hybrid nhôm – thép có phạm vi rất hẹp. Trong thực tế để khống chế và kiểm soát dải năng lượng đường tối ưu là tương đối khó khăn do những nhiễu động của thiết bị và đồ gá. Cách tốt nhất là tiến hành hàn cơ giới hóa hoặc hàn tự động trên các thiết bị có độ chính xác chuyển động cao, có đồng hồ hiển thị đúng các thông số công nghệ hàn, dòng điện hàn ổn định và có khả năng điều chỉnh vô cấp các thông số công nghệ hàn. 3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán hiệu quả:
70
Năng lượng đường quyết định trực tiếp đến nhiệt độ trên liên kết hàn, qua đó gián tiếp ảnh hưởng đến thời gian lưu kim loại ở trạng thái nhiệt độ cao. Tùy thuộc vào năng lượng đường sử dụng và loại vật liệu cơ bản với chiều dày chi tiết cũng như dạng kết cấu cụ thể mà thời gian lưu kim loại ở nhiệt độ cao khi hàn sẽ khác nhau, dẫn đến thời gian khuếch tán kim loại cũng khác nhau.
Kết quả tính toán thời gian khuếch tán hiệu quả (tại các nút trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với vật liệu và chiều dày đã đề cập) ứng với 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau được trình bày trong hình 3.33.
Dựa vào đồ thị quan hệ giữa thời gian khuếch tán hiệu quả và năng lượng đường sử dụng, chúng ta thấy rằng khi hàn với năng lượng đường lớn hơn dải năng lượng đường phù hợp thì thời gian khuếch tán hiệu quả tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 sẽ lớn hơn 6,7 giây, lớn hơn nhiều so với giai đoạn trễ (4 giây) của cặp nhôm – thép như đã tìm hiểu trong mục 2.3.1. Nghĩa là chắc chắn sẽ hình thành các lớp hợp chất IMC trên biên giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 (điều này được xác nhận trong chương 5). Thời gian khuếch tán hiệu quả càng lớn thì chiều dày của lớp IMC càng lớn và lớp hợp chất IMC càng liên tục trên suốt bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38.
Cũng theo lý thuyết và kết quả tính toán bằng phần mềm Sysweld ở trên, chúng ta thấy rằng với liên kết hàn này nếu hàn ở năng lượng đường nhỏ hơn 580 J/mm thì khả năng hình thành lớp IMC là rất ít, thậm chí không có. Tuy nhiên mối hàn lại bị khuyết tật hình dáng do không ngấu chân và mặt.
Khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) thì thời gian khuếch tán hiệu quả tại các nút trên bề mặt của tấm thép dao động trong phạm vi từ 5,2 đến 6,7 giây, nghĩa là vẫn lớn hơn giai đoạn trễ (4 giây của cặp nhôm - thép) và khả năng hình thành lớp hợp chất IMC là không tránh khỏi. Tuy nhiên, do thời gian khuếch tán không lớn lắm nên lớp IMC sẽ có chiều dày không quá lớn. Để đạt được cơ tính tốt, chúng ta nên đi theo hướng bảo đảm tốc độ hàn đều và sử dụng nguồn hàn có
71
chế độ làm việc ổn định nhằm mục đích bảo đảm cho lớp IMC có chiều dày đều trên toàn bộ bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38. 3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn:
Thông qua kết quả tính toán mô phỏng chu trình nhiệt tại nút 2124 nằm trong tiết diện ngang của liên kết hàn, tại điểm giữa của mối hàn (nơi sẽ đông đặc sau cùng), chúng ta có thể xác định được thời gian đông đặc của mối hàn. Kết quả tính thời gian đông đặc của mối hàn ứng với 13 trường hợp sử dụng năng lượng đường khác nhau được thể hiện trong hình 3.34 dưới đây.
Kết quả tính toán mà phần mềm Sysweld đưa ra cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải năng lượng đường tối ưu thì thời gian đông đặc của mối hàn nằm trong khoảng từ 3,8 đến 4,65 giây. Khi hàn với năng lượng đường cao hơn thì thời gian đông đặc sẽ lâu hơn có thể dẫn đến mối hàn bị loang bề mặt, còn khi hàn với năng lượng đường thấp hơn thì mối hàn sẽ đông đặc rất nhanh có thể dẫn đến mối hàn bị vón cục và bề mặt sẽ không đều.
3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Phần mềm Sysweld không chỉ tính toán được trường nhiệt độ và chu trình nhiệt tại các nút trên mô hình nghiên cứu, mà còn tính toán được cả trường phân bố ứng suất (do tác động đồng thời của nhiệt và thay đổi thể tích khi chuyển biến pha trong kim loại) cũng như biến dạng và quá trình biến đổi tổ chức kim loại trong mô hình nghiên cứu.
Trên hình 3.35 là phân bố ứng suất tương đương (σe, equivalent stress) trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T sau khi hàn 150 giây (nguội đến 230oC). Kết quả tính toán cho thấy rằng ứng suất lớn chủ yếu tập trung ở tấm thép (giá trị lớn nhất là 189 MPa tại góc tấm thép). Các vùng còn lại có ứng suất tương đối nhỏ, trong đó tấm nhôm có ứng suất nhỏ hơn tấm thép rất nhiều do nhôm AA1100 là vật liệu có độ dẻo cao nên chúng sẽ bị biến dạng nhiều hơn.
72
Hình 3.36 biểu diễn kết quả tính toán biến dạng theo phương Z do phần mềm Sysweld đưa ra khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với năng lượng đường 680 J/mm. Kết quả tính toán cho thấy rằng tại mép gá kẹp có biến dạng bằng 0, biến dạng nhiều nhất thuộc về tấm nhôm (vùng dưới mối hàn) và đạt giá trị lớn nhất trong trường hợp này chỉ là 0,42 mm. Dấu trừ (-) biểu thị chiều của biến dạng ngược với chiều của trục Z, nghĩa là liên kết bị cong xuống phía dưới (biên cụp vào vách). Kết quả này cũng mô tả giống như trong lý thuyết về kết cấu hàn và lý thuyết về ứng suất & biến dạng hàn.
73
Do công trình nghiên cứu này sử dụng cặp vật liệu thép CCT38 và nhôm AA1100 là các vật liệu không có biến đổi tổ chức khi hàn, nên quá trình nghiên cứu sự biến đổi tổ chức kim loại khi hàn không được tiến hành trong phạm vi của bản luận án này. 3.5. Kết luận chương 3
Bằng các kết quả rất trực quan (bảng dữ liệu, đồ thị, hình ảnh và video), mô phỏng cho ta biết được tất cả các thông số nghiên cứu trong toàn miền khảo sát (cả trên biên lẫn trong lòng mô hình) và liên tục trong toàn bộ thời gian sự kiện xảy ra mà bằng các thí nghiệm rất khó mô tả, đôi khi rất khó hoặc không thể tiến hành thí nghiệm được hoặc nếu có thí nghiệm được thì lại rất tốn kém. Việc sử dụng máy tính điện tử cùng với phần mềm tin học xây dựng trên nền tảng của phương pháp toán số (điển hình là phương pháp PTHH) để tính toán và mô phỏng các bài toán thiết kế kết cấu hàn cũng như bài toán công nghệ hàn đã đem lại nhiều lợi ích to lớn về cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế do rút ngắn được thời gian nghiên cứu, đặc biệt là tiết kiệm được rất nhiều các chi phí thử nghiệm. Thông qua mô phỏng sẽ thu nhận được các dữ liệu cần thiết và có giá trị của vấn đề nghiên cứu để làm cơ sở cho việc khảo sát, đánh giá trong quá trình thực nghiệm.
Ở chương này, lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả đã ứng dụng thành công các lý thuyết về mô phỏng kết hợp với tính toán tối ưu thiết kế kết cấu; sử dụng thành thạo các phần mềm tính toán mô phỏng chuyên nghiệp là ANSYS và Sysweld áp dụng để giải quyết các bài toán cụ thể và đặc trưng do yêu cầu của luận án đề ra. Tác giả đã xây dựng được chương trình thiết kế tối ưu liên kết hàn có thể sử dụng để tính toán cho các dạng liên kết bất kỳ và có thể mở rộng để tính toán cho các kết cấu lớn và phức tạp với nhiều loại vật liệu sử dụng. Từ một lựa chọn sơ bộ bất kỳ, chương trình máy tính do tác giả xây dựng sẽ tự động tìm ra được kích thước hợp lý nhất (có thể tích bé nhất) ứng với dạng cấu trúc và điều kiện chịu tải cụ thể của kết cấu, trong khi đảm bảo được khả năng làm việc.
Thành tựu cơ bản và nổi bật của chương này là lần đầu tiên đã ứng dụng phần mềm Sysweld để tính toán mô phỏng bài toán phi truyền thống – đó là quá trình hàn TIG liên kết lai ghép giữa hai loại vật liệu khác nhau về chủng loại là nhôm AA1100 và thép CCT38 ở dạng chữ T. Tác giả đã tìm ra được góc nghiêng thích hợp (20o) của mỏ hàn đảm bảo cho tấm thép không bị quá nhiệt khi hàn hybrid như đã đề cập.
Đã xác định được chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với các chế độ công nghệ hàn khác nhau. Đặc biệt là đã đề ra được giải pháp khoanh vùng và xác định chế độ công nghệ hàn một cách ít tốn kém nhất thông qua phương pháp tính toán mô phỏng số; trong đó, lần đầu tiên đã xác định được dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) khi hàn liên kết hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T dày 5 mm. Chương trình mô phỏng xây dựng được có thể áp dụng đối với chiều dày bất kỳ của chi tiết hàn và có thể áp dụng cho bất kỳ cặp kim loại khác chủng loại nào (khi đó chỉ phải thay đổi các hàm thuộc tính của vật liệu).
Ngoài ra, cũng bằng kỹ thuật mô phỏng, tác giả đã tính toán được ứng suất và biến dạng của liên kết hàn ứng với chế độ công nghệ hàn cụ thể. Dữ liệu này cũng sẽ làm cơ sở để đề ra các biện pháp xử lý thích hợp trong quá trình thực nghiệm ở chương 4.
74
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là nhằm tạo ra liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T thực tế, trên cơ sở của những nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 và các tính toán mô phỏng ở chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm còn nhằm mục đích kiểm chứng lại các lý thuyết cũng như giả thuyết khoa học mà tác giả đã đưa ra, đồng thời sẽ bổ sung để ngày càng hoàn thiện hơn lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại.
Quá trình tiến hành thực nghiệm hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm
như đề tài luận án đề cập có sử dụng các loại trang thiết bị và dụng cụ dưới đây. 4.2. Trang thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Thiết bị hàn
Trong công nghệ hàn, các yếu tố quyết định nhất đến chất lượng của liên kết hàn bao gồm: thiết bị – vật liệu – con người – quy trình công nghệ hàn. Trong đó, thiết bị hàn là đối tượng trực tiếp tạo ra liên kết hàn và đóng một vai trò quan trọng. Bài toán hàn liên kết hybrid nhôm – thép như đề tài luận án đề cập giống như trường hợp phê chuẩn quy trình hàn trong thực tế. Vì vậy để loại bỏ yếu tố rủi ro do thiết bị gây ra, tác giả lựa chọn thiết bị hàn loại tiên tiến, yêu cầu có các chức năng và đặc tính kỹ thuật sau: hiển thị chính xác các thông số công nghệ nhờ đồng hồ digital và ampe kìm tích hợp trong máy, hoạt động ổn định nhờ hệ thống ổn áp tích hợp, hệ điều khiển inverter với dòng hàn mịn, điều chỉnh vô cấp các thông số công nghệ, có chức năng hàn xung với đầy đủ khả năng điều chỉnh ở chế độ xung xoay chiều (AC) cùng với dải điều chỉnh xung rộng và mịn, có chức năng hàn 4T để có thể gá trên xe hàn tự hành bảo đảm quá trình hàn cơ giới hóa, công suất đủ lớn và hiệu suất cao,...
Dựa vào những yêu cầu nêu trên, loại thiết bị hàn được chọn để nghiên cứu trong luận án này là máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC của hãng Kemppi – Phần Lan (hình 4.1). Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị được liệt kê trong bảng 4.1
MasterTIG 2500 xung AC/DC (nguồn: [54])
Thông số
Giá trị
Nguồn điện
3 pha 400V±10%, 50/60 Hz
Hệ số làm việc liên tục
70% tại 250A
Điều chỉnh dòng hàn: DC AC
3 A / 10 V ... 250 A / 20 V 10 A / 10 V ... 250 A / 20 V
Vô cấp
Điều chỉnh Ih và Uh
Hiển thị
Đồng hồ digital
Điện áp không tải
70V (khi hàn AC và DC)
Khả năng hàn xung
Đầy đủ khi hàn DC và AC
Điều chỉnh tần số xung AC 50 … 200 Hz
Hiệu suất của máy
80 % (250 A / 30 V)
0,9 (250 A / 30 V)
75
4.2.2. Đồ gá hàn
Hàn đính tuy đơn giản, rẻ tiền nhưng lại có nhiều nhược điểm do không khống chế chính xác được khe hở hàn cũng như gây ra nhiều khuyết tật tại vị trí hàn đính. Đặc biệt là trong trường hợp hàn liên kết hybrid nhôm – thép như đề tài luận án này thì hàn đính sẽ không phù hợp. Trong trường hợp này việc sử dụng đồ gá hàn là lựa chọn tốt nhất. Cùng với thiết bị hàn, đồ gá hàn có vai trò quan trọng nhằm mục đích kẹp chặt và bảo đảm vị trí tương quan giữa các chi tiết hàn, định vị chính xác chi tiết hàn và bảo đảm khe hở hàn trong suốt quá trình hàn. Đồ gá hàn được chọn để tiến hành thực nghiệm trong luận án này là loại đồ gá đa năng, có khả năng kẹp chặt được cả 3 vị trí của liên kết hàn dạng chữ T với dải chiều dày phôi từ 2 đến 12 mm.
Để bảo đảm thực hiện hàn với tốc độ đều, ổn định và chính xác, mỏ hàn sẽ được gá trên xe hàn tự hành Handy Carriage, Model HC-120-D của hãng Matsumoto Kikai – Nhật Bản với khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ di chuyển và góc nghiêng của mỏ hàn. Cách thức gá kẹp mỏ hàn trên xe hàn tự hành phối hợp với đồ gá đa năng được mô tả trên hình 4.2 dưới đây, trong đó các tấm phôi hàn được kẹp chặt trên đồ gá đa năng bảo đảm chúng vuông góc với nhau. Xe hàn tự hành được đặt trên một mặt bàn phẳng, trên đó mỏ hàn TIG được gá kẹp ở vị trí tạo với tấm thép một góc đúng bằng 20o.
Do không có hệ thống cấp dây hàn tự động nên việc cấp dây hàn vào vũng hàn được thực hiện bằng tay thông qua người thợ có tay nghề cao (có chứng chỉ hàn nhôm phù hợp với liên kết làm thí nghiệm). Tuy rằng việc di chuyển mỏ hàn bằng cơ giới hóa sẽ bảo đảm việc cấp nhiệt đều theo hướng dọc trục mối hàn, nhưng việc cấp dây hàn thủ công cũng phần nào làm cho chất lượng mối hàn không ổn định.
Trước khi hàn, cần phải cho xe hàn tự hành chạy rà không tải để căn chỉnh mỏ hàn sao cho bảo đảm khoảng cách đều giữa điện cực và vật hàn, bảo đảm góc nghiêng mỏ hàn không đổi và hệ thống di chuyển không bị vấp. Trong quá trình hàn sử dụng chức năng hàn 4 phịp (4T) để tránh tác động vào kết cấu xe hàn gây lệch quỹ đạo di chuyển cũng như các sai lệch vị trí khác.
76
4.2.3. Các trang thiết bị phụ trợ
Do điều kiện thí nghiệm không có thiết bị hàn TIG cấp dây tự động, quá trình hàn chỉ được cơ giới hóa khâu di chuyển mỏ hàn, trong khi việc cấp dây hàn được thực hiện bằng tay nên cần có người tao tác và việc trang bị bảo hộ là điều cần thiết.
Mặt khác, do yêu cầu đặc thù của quá trình hàn liên kết hybrid nhôm – thép là cần phải làm sạch triệt để bề mặt mép hàn, loại bỏ các nhấp nhô tế vi trên bề mặt tấm thép,... mà các trang thiết bị phụ trợ trong bảng 4.2 được sử dụng trong quá trình thực nghiệm. Bảng 4.2 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng
TT Loại dụng cụ / thiết bị Mục đích sử dụng
1 Mũ hàn TIG đổi màu siêu tốc - Dùng cho người thao tác cấp dây hàn vào vũng hàn
2 Găng tay da dùng cho hàn TIG - Dùng cho người thao tác cấp dây hàn
3 Máy mài cầm tay - Dùng để mài bề mặt tấm thép
4 Bàn chải sợi thép không gỉ - Dùng để đánh sạch lớp màng ôxit trên bề mặt tấm nhôm - Đánh sạch ôxit sắt trên bề mặt tấm thép
5 Giấy ráp
- Dùng để loại bỏ các nhấp nhô tế vi trên bề mặt tấm thép do quá trình vát mép và làm sạch gây ra
77
6 Máy nén khí áp suất cao
- Dùng để thổi sạch các hạt mạt sắt, ôxit sắt ra khỏi bề mặt mối ghép do quá trình chải bằng bàn chải sắt và giấy ráp gây ra
Phôi hàn nhập về làm thí nghiệm phải đảm bảo đúng mác CCT38 và AA1100, đồng thời phải chọn đúng chiều dày 5 mm. Dây hàn phải được chọn đúng loại ER4043 với 5%Si như đã phân tích ở chương 2. Nên chọn dây hàn của các hãng có uy tín vì thành phần hóa học chính xác, ít tạp chất. Trong luận án này, tác giả chọn dây hàn TIG nhôm của hãng U.S Alloy Co – Mỹ với mác thương mại là “4043 Aluminum“ với đường kính 3/32“ (2,5 mm).
4.3.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
Các tấm phôi nhập về phải được làm sạch sơ bộ khỏi các chất bẩn và bảo quản, sau đó tiến hành cắt thành các tấm nhỏ bằng máy cắt tôn. Cũng có thể cắt bằng ngọn lửa khí cháy đối với thép CCT38 hoặc cắt bằng máy cắt plasma đối với nhôm AA1100. Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt do cắt phôi, tác giả quyết định chọn phương pháp cắt trên máy cắt tôn (cắt bằng cơ khí).
Kích thước của các tấm phôi phải bảo đảm đúng với kích thước của mô hình đã mô phỏng ở chương 3, cụ thể kích thước là 250 x 180 x 5 mm. Sau khi cắt xong, tiến hành làm sạch lần nữa và mài vát mép tấm thép bằng máy mài cầm tay rồi tiến hành loại bỏ các nhấp nhô tế vi trên bề mặt tấm thép bằng bàn chải sợi thép không gỉ và cuối cùng sử dụng giấy ráp để loại bỏ các nhấp nhô tế vi trên bề mặt tấm thép. Công đoạn cuối cùng của việc chuẩn bị mẫu thí nghiệm là sử dụng máy nén khí với áp suất cao để thổi sạch các hạt bụi bẩn cũng như mạt sắt còn bám trên bề mặt tấm thép. Bất cứ hạt bụi bẩn hay oxit còn sót lại
78
trên bề mặt tấm thép đều cản trở quá trình thấm ướt của KLMH lên bề mặt của tấm thép CCT38. 4.4. Xây dựng thí nghiệm 4.4.1. Sơ đồ gá kẹp mẫu thí nghiệm
Áp dụng các cơ sở khoa học đã phân tích ở chương 2 cùng với bài toán mô phỏng ở chương 3, trong quá trình thực nghiệm các chi tiết hàn phải được kẹp chặt ở các mép như mô tả trong hình 4.4 dưới đây. Trong đó vị trí của mỏ hàn TIG được đặt nghiêng so với tấm thép một góc 20o.
Trong quá trình thực nghiệm, do khả năng thấm ướt của nhôm lỏng lên trên bề mặt của tấm thép bị hạn chế bởi sức căng bề mặt, nên để bảo đảm khả năng chảy tràn rộng và thấm ướt tốt của KLMH lên trên bề mặt của tấm thép CCT38, ta tiến hành thực hiện hàn ở tư thế 2F thay vì 1F (hình 4.4).
4.4.2. Các chế độ và quy trình thí nghiệm
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến khả năng hình thành liên kết hàn trong trường hợp này, phù hợp với dải điều chỉnh tốc độ hàn của xe hàn tự hành, trước hết ta ấn định vận tốc hàn sẽ thực nghiệm (như cột 2 của bảng 4.3), đồng thời bám sát vào kết quả đã tính toán dải năng lượng đường tối ưu ở mục 3.4.3 để tiến hành lựa chọn các giá trị dòng điện hàn (Ih) và điện áp hàn (Uh) cho phù hợp.
𝑈ℎ.𝐼ℎ 𝑉ℎ
η Năng lượng đường q được xác định bởi công thức: (4.1)
𝑞 =
với: η là hiệu suất của quá trình hàn (theo tài liệu [53], quá trình hàn TIG có η = 0,7). Đối với mỗi thiết bị hàn cụ thể, Uh và Ih là hai thông số phụ thuộc nhau theo đường đặc tuyến ngoài của máy chứ không phải là các thông số độc lập nhau. Do vậy để có được năng lượng đường như mong muốn, ta phải tiến hành giai đoạn điều chỉnh máy và hàn thử trên phôi vụn để xác nhận các cặp (Uh, Ih) hoạt động ổn định tương ứng. Kết quả xác nhận các cặp thông số Uh và Ih của máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC của hãng Kemppi – Phần Lan đã lựa chọn được liệt kê trong bảng 4.3 (ở đây lấy giá trị trung bình của 3 lần thử). Cuối cùng tiến hành tính toán giá trị năng lượng đường đối với các trường hợp cụ thể theo công thức (4.1) ở trên để so sánh với dải năng lượng đường tối ưu cần thiết đã tính toán ở mục 3.4.3. Kết quả tính toán năng lượng đường được điền vào cột 5 của bảng 4.3.
Lưu ý rằng: kết quả tính toán dải năng lượng đường tối ưu ở mục 3.4.3 là q = 680 ÷ 720 J/mm, tuy nhiên đó mới chỉ là tính toán lý thuyết. Để kiểm tra xem dải năng lượng đường tính toán này có thực sự phản ánh đúng thực tế hay không, trong quá trình thực nghiệm ta tiến hành thí nghiệm ở phạm vi rộng hơn – tức là thí nghiệm ở cả vùng q > 720 J/mm và vùng q < 680 J/mm.
79
Các chế độ hàn thí nghiệm được liệt kê chi tiết trong bảng 4.3 dưới đây, trong đó, ứng với mỗi chế độ hàn sẽ tiến hành thực hiện trên 10 mẫu rồi lấy giá trị trung bình để bảo đảm độ tin cậy của kết quả thực nghiệm. Bảng 4.3 Các chế độ thí nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm
Ghi chú Chế độ hàn Vh [mm/s] Ih [A] Uh [V] q [J/mm]
225 19 2,5 1197 1 Góc nghiêng mỏ hàn 45o (hồ quang tác động trực tiếp vào tấm thép)
192 16,5 3,0 739,20 Lớn hơn dải năng lượng đường tối ưu 2
187 16,5 3,0 3 719,95 Thuộc dải năng lượng đường tối ưu
206 17 3,5 4 700,40 Thuộc dải năng lượng đường tối ưu
200 17 3,5 Thuộc dải năng lượng đường tối ưu 5 680
215 4,0 17,5 658,44 Nhỏ hơn dải năng lượng đường tối ưu 6
202 17 4,0 600,95 Nhỏ hơn dải năng lượng đường tối ưu 7
202 17 5,0 480,76 Nhỏ hơn dải năng lượng đường tối ưu 8
Trong 8 chế độ thí nghiệm ở trên, duy nhất chế độ hàn số 1 là sử dụng góc nghiêng mỏ hàn 45o để kiểm tra ảnh hưởng của sự tác động trực tiếp hồ quang vào bề mặt tấm thép. Các chế độ còn lại đều sử dụng góc nghiêng mỏ hàn 20o như đã tính toán mô phỏng ở chương 3. Đối với mỏ hàn TIG, sử dụng điện cực vonfram 2,4mm, chụp khí có đường kính 10mm, sử dụng khí Ar loại 99,98% và lưu lượng khí bảo vệ khi hàn là 10 lít/phút.
Trong trường hợp này, để khử lớp màng Al2O3 trên bề mặt tấm nhôm (nhiệm vụ số 1 trong bảng 2.11), tác giả sử dụng dòng hàn xoay chiều (AC); để kiểm soát tốt chế độ nhiệt, tác giả sử dụng loại dòng hàn xung – Nghĩa là ở đây sử dụng dòng hàn xung AC với sóng tín hiệu dạng chữ nhật. Kết quả hàn thử nghiệm với nhiều giá trị khác nhau của chế độ hàn xung AC cho biết rằng: nếu tần số xung T quá nhỏ thì khả năng làm sạch lớp ôxit nhôm sẽ kém, dẫn đến mối hàn bị lẫn ôxit nhôm và tính thấm ướt của KLMH lên trên bề mặt tấm thép sẽ kém. Độ rộng xung dương a quá lớn (độ rộng xung âm b quá nhỏ) thì khả năng đánh sạch lớp màng ôxit nhôm sẽ tốt nhưng liên kết lại bị thiếu nhiệt. Các giá trị hợp lý của thông số xung AC được lựa chọn sử dụng trong luận án như sau:
Giá trị Ih ghi trong bảng 4.3 chính là dòng đỉnh của xung AC chữ nhật. Tần số xung: T = 120 Hz. Độ rộng xung dương: a = 0,6T. Độ rộng xung âm: b = 0,4T.
80
Quy trình thí nghiệm: Để bảo đảm thực hiện thành công mối ghép, cần phải tuân thủ triệt để các cơ sở khoa học đã phân tích và rút ra được ở chương 2, trong đó đặc biệt là các giải pháp kỹ thuật đã được tổng hợp trong bảng 2.11. Trên cơ sở đó, tác giả đưa ra quy trình thí nghiệm tuần tự như sau:
1. Chuẩn bị thiết bị và đồ gá hàn như yêu cầu và mô tả trong mục 4.2 2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm như yêu cầu và mô tả trong mục 4.3 3. Gá kẹp mẫu thí nghiệm như mục 4.4.1 4. Điều chỉnh thiết bị hàn và xe hàn tự hành theo đúng các chế độ hàn ở bảng 4.3 và hình 4.5
5. Tiến hành thí nghiệm với các kỹ thuật đã nêu trong bảng 2.11 và các kết luận ở chương 2
6. Kiểm tra ngoại dạng và chất lượng liên kết hàn bằng các thiết bị trong mục 4.5
Do liên kết hàn nghiên cứu trong luận án này là một dạng liên kết mới, phi tiêu chuẩn (liên kết hàn dạng chữ T được tạo bởi 2 vật liệu rất khác biệt về chủng loại), nên chưa có tiêu chuẩn hay quy phạm để áp dụng. Dựa theo trạng thái làm việc của liên kết hàn chữ T (chịu lực cắt khi kết cấu bị uốn), tác giả đề xuất kiểm tra khả năng chịu lực cắt (để kiểm tra ứng suất cắt - ứng suất tiếp) của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T đã thực hiện được theo sơ đồ trên hình 4.6a.
a) Sơ đồ thử kéo liên kết hàn chữ T b) Sơ đồ thử bẻ liên kết hàn chữ T
Mặt khác trong điều kiện làm việc thực tế, liên kết hàn chữ T có thể bị uốn hoặc chịu tác động của ngoại lực theo phương ngang hoặc xiên so với tấm thép. Vì vậy tác giả đề xuất thêm kiểm tra bẻ liên kết hàn (để kiểm tra ứng suất pháp). Tham khảo cách tiến hành kiểm tra bẻ (break test) liên kết hàn chữ T theo tiêu chuẩn AWS B4.0:2000 – “Standard Methods for Mechanical Testing of Welds” [55], tác giả đưa ra sơ đồ thử bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T như mô tả trên hình 4.6b.
Các quá trình thử kéo và bẻ liên kết hàn nghiên cứu được tiến hành trên các mẫu đạt chất lượng (không có khuyết tật ngoại dạng) và tiến hành thử trên 5 mẫu để lấy kết quả trung bình. Các mẫu thử kéo và bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm được chuẩn bị như thể hiện trên hình 4.7. Các kết quả thử kéo và bẻ liên kết hàn nghiên cứu được trình bày trong mục 5.4 ở chương 5.
81
Để thực hiện được việc kéo mẫu hàn là liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T trên máy kéo – nén vạn năng CNC, tác giả đã tự chế tạo 1 đồ gá để kẹp mẫu hàn chữ T như mô tả trên hình 4.8. Trong đó yêu cầu phần kẹp của đồ gá phải vuông góc với rãnh chặn mẫu kéo và khe hở của rãnh chặn phải lớn hơn chiều dày của tấm nhôm.
82
4.5.2. Các trang thiết bị dùng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàn
Để tiến hành kiểm tra chất lượng của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T nghiên cứu trong luận án này, tác giả đã sử dụng một loạt các trang thiết bị kiểm tra như mô tả trong bảng 4.4 dưới đây. Bảng 4.4 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn
TT Loại thiết bị Mục đích sử dụng Địa chỉ của thiết bị
1 Thiết bị cắt Plasma CNC - Dùng để cắt theo chiều dọc của liên kết hàn
2 Thiết bị cắt dây CNC - Dùng để cắt theo chiều ngang của liên kết hàn Trung tâm Thực hành – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
83
3 Thiết bị kéo – nén vạn năng - Dùng để thử kéo và bẻ liên kết hàn
4 Máy mài và đánh bóng mẫu
- Dùng để chuẩn bị mẫu soi cấu trúc tế vi trên hiển vi quang học - Đánh bóng mẫu để
kiểm tra cấu trúc siêu tế vi bằng hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS / EDX)
5 Hệ thống hiển vi quang học
- Dùng để kiểm tra cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm – thép Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội
6 Máy đo độ cứng Vicker
- Dùng để đo độ cứng tế vi trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép
7 Hệ thống SEM và EDS
- Dùng để kiểm tra cấu trúc siêu tế vi của liên kết hàn nhôm – thép - Dùng để phân tích thành phần nguyên tố
Viện Tiên tiến Khoa học & Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội
- Dùng để nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại
84
Để nghiên cứu thực nghiệm quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép trong bản luận án này, tác giả phải sử dụng khá nhiều trang thiết bị. Trong chương này, tác giả đã đi sâu phân tích để đưa ra được các yêu cầu cần thiết của thiết bị hàn và đã lựa chọn được thiết bị hàn cụ thể, phù hợp với đề tài nghiên cứu.
Để đảm bảo tốc độ hàn đều và chính xác, tác giả đã lựa chọn và sử dụng xe hàn tự hành phối hợp với đồ gá hàn phù hợp với dạng liên kết hàn nghiên cứu. Đồng thời đã đưa ra được các yêu cầu về mặt công nghệ và kỹ thuật vận hành hệ thống xe hàn và đồ gá.
Tác giả cũng đã phân tích và lựa chọn được các trang thiết bị phụ trợ cũng như các thiết bị phục vụ quá trình kiểm tra chất lượng liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T. Đã đưa ra các khuyến nghị về lựa chọn vật liệu hàn cũng như cách thức chuẩn bị phôi hàn.
Ở chương này cũng đã đưa ra được sơ đồ bố trí thí nghiệm cũng như các chế độ và xây dựng quy trình thí nghiệm một cách cụ thể. Đã đề xuất được cách thức tiến hành các loại kiểm tra cơ tính của liên kết hàn nghiên cứu.
85
a) Chế độ hàn 1 (q=1197 J/mm)
b) Chế độ hàn 2 (q=739,2 J/mm)
c) Chế độ hàn 3 (q=719,95 J/mm)
d) Chế độ hàn 4 (q=700,4 J/mm)
e) Chế độ hàn 5 (q=680 J/mm)
f) Chế độ hàn 6 (q=658,44 J/mm)
g) Chế độ hàn 7 (q=600,95 J/mm)
h) Chế độ hàn 8 (q=480,76 J/mm)
Thực hiện hàn thí nghiệm theo các chế độ hàn đã nêu cụ thể trong bảng 4.3 tương ứng với các giá trị năng lượng đường khác nhau, ta thu được các kết quả thể hiện trong hình 5.1 dưới đây.
86
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, khi hàn ở chế độ hàn 1 với việc sử dụng góc nghiêng mỏ hàn 45o để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho tấm thép bị nóng chảy bề mặt, dẫn đến hiện tượng mối hàn bị nứt mạnh và tách rời nhau hoàn toàn ngay sau khi hàn. Tiến hành thí nghiệm trên 10 mẫu vẫn nhận được kết cục này. Như vậy có thể khẳng định rằng góc nghiêng của mỏ hàn có vai trò rất quan trọng trong quá trình hàn liên kết hybrid nhôm – thép đề cập trong luận án. Để có thể thực hiện thành công liên kết dạng này thì tuyệt đối không được để cho hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt của tấm thép bằng cách để nghiêng mỏ hàn đi một góc 20o so với tấm thép, nhiệt nung cho tấm thép chủ yếu do quá trình truyền nhiệt từ vũng hàn vào và bức xạ nhiệt từ vùng hồ quang. Các chế độ thí nghiệm từ 2 đến 8 sẽ chỉ thực hiện với góc nghiêng mỏ hàn 20o.
Khi hàn ở chế độ hàn số 2 với năng lượng đường 739,20 J/mm, kết quả nhận được có khả dĩ hơn. Đã có nhiều chỗ tạo được liên kết giữa KLMH và tấm thép, nhưng chân mối hàn bị sụt rất nhiều, làm cho mối hàn bị lõm và diện tích tiếp xúc giữa KLMH với bề mặt tấm thép bị giảm đi rất nhiều. Trong trường hợp này vết nứt cũng xuất hiện rất nhiều trên biên giới giữa KLMH và tấm thép CCT38, do đó chế độ hàn này cũng không phù hợp đối với liên kết nghiên cứu.
Khi hàn ở chế độ hàn số 3 với năng lượng đường 719,95 J/mm gần bằng với cận trên của dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được có tốt hơn so với hai trường hợp trước, tuy nhiên vết nứt vẫn còn khá nhiều và chân mối hàn vẫn bị sụt nhiều làm cho bề mặt mối hàn và diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép vẫn nhỏ. Chế độ hàn này cũng không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra.
Ở chế độ hàn số 4 (hình 5.1d), khi hàn với năng lượng đường 700,4 J/mm thuộc dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được là khá tốt. Tấm nhôm AA1100 phía dưới không bị sụt, chân mối hàn lồi ra không đáng kể và có thể loại bỏ khi hàn phía đối diện. Trường hợp này có bề mặt mối hàn tương đối đều và đẹp, diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép tương đối lớn giúp cho liên kết bền chắc hơn. Kết quả phân tích cấu trúc tế vi cho thấy rằng, tuy không có vết nứt nhưng ở trường hợp này lớp IMC xuất hiện liên tục và khá dày (chiều dày trung bình khoảng 10 – 17 µm trên toàn bộ bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 dẫn đến độ bền của mối ghép không cao.
Khi hàn ở chế độ hàn số 5 với năng lượng đường 680 J/mm bằng cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu, kết quả nhận được liên kết hàn trên hình 5.1e. Trong trường hợp này tấm nhôm AA1100 không bị sụt, chân mối hàn có độ lồi nhỏ, bề mặt mối hàn đều và đẹp do độ chảy loang của KLMH lên trên bề mặt tấm thép ở mức độ vừa phải. Kết quả phân tích cấu trúc tế vi ở mục 5.6 cho thấy rằng liên kết hàn không bị nứt, lớp IMC xuất hiện không liên tục với chiều dày trung bình từ 3 đến 9 µm. Đặc biệt là trên bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 có nhiều vùng không xuất hiện lớp IMC, có nghĩa là lượng kim loại khuếch tán tại vùng như vậy là rất ít, chưa đủ để tiết ra tổ chức IMC bất lợi. Như vậy có thể thấy rằng chế độ hàn số 5 cho chất lượng tốt.
Khi hàn ở chế độ hàn số 6 với năng lượng đường 658,44 J/mm thấp hơn cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu, ta nhận được kết quả trên hình 5.1f. Ở trường hợp này do hàn ở tốc độ cao (4 mm/s) nên vũng hàn nhỏ, kết quả là chân mối hàn không lồi và tấm nhôm AA1100 không bị sụt, nhưng bề rộng mối hàn bé và diện tích tiếp xúc giữa KLMH và tấm thép CCT38 cũng bị giảm đi dẫn đến bề mặt mối hàn không đều và đẹp. Ưu điểm của trường hợp này là lớp IMC mỏng và không liên tục, nhưng do có khuyết tật hình dáng nên nó cũng không phải là chế độ hàn phù hợp.
Ở chế độ hàn số 7 khi hàn với năng lượng đường 600,95 J/mm, kết quả nhận được trên hình 5.1g. Do năng lượng đường thấp nên không đủ nhiệt để tạo ra sự tiếp xúc tốt giữa KLMH và tấm thép, dẫn đến bề mặt mối hàn không hoàn thiện và chân mối hàn không ngấu.
87
Khi hàn ở chế độ hàn số 8 với năng lượng đường quá nhỏ (480,76 J/mm), khi đó nhiệt trên bề mặt tấm thép chưa cao nên quá trình thấm ướt và khuếch tán kim loại chưa đủ để hình thành liên kết trên toàn bộ bề mặt gianh giới giữa KLMH và tấm thép (chỉ tạo được liên kết tại một số vị trí). Kết quả là liên kết hàn dễ bị bẽ gãy, nhưng không bị rời ra ngay sau khi hàn như ở chế độ hàn số 1.
Kết luận: trong 8 chế độ công nghệ hàn thí nghiệm ở trên, chỉ có 2 chế độ hàn số 4 và 5 là đạt được yêu cầu (đủ ngấu chân, không nứt, không sụt). Trong đó chế độ hàn số 5 là tốt nhất do có lớp IMC nhỏ nhất và tồn tại nhiều vùng không có lớp IMC. So sánh với kết quả tính toán mô phỏng ở mục 3.4.3, ta thấy rằng kết quả mô phỏng phản ánh khá đúng với thực nghiệm – nghĩa là kết quả mô phỏng ở mục 3.4.3 là chính xác nên rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn. Kết quả thực nghiệm còn chỉ ra rằng dải năng lượng đường tối ưu trong thực tế còn kẹp hơn so với kết quả tính toán bằng mô phỏng (thu hẹp theo hướng về phía cận dưới – vùng năng lượng đường thấp). 5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn nhôm - thép
Khi hàn với năng lượng đường vừa phải thì lớp IMC xuất hiện không liên tục với chiều dày nhỏ (như ở các chế độ hàn 5, 6, 7 ở trên), còn khi hàn với năng lượng đường lớn như chế độ hàn số 3 và đặc biệt là ở chế độ hàn số 2 thì lớp IMC xuất hiện liên tục trên toàn bộ bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 với chiều dày rất lớn (có chỗ trên 20µm) dẫn đến hiện tượng nứt ngay tại gianh giới này (hình 5.2).
Như vậy để tránh nứt trong liên kết hàn nhôm – thép dạng này, ngoài việc không được để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép, còn cần phải thực hiện ở chế độ hàn có năng lượng đường nhỏ vừa phải. 5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn
Trong quá trình thực nghiệm, tác giả đã tiến hành hàn thí nghiệm với nhiều trường hợp khác nhau và nhận được các kết quả dưới đây. Trong trường hợp hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T của luận án này, nếu như không vát mép tấm thép hoặc vát mép nhưng để mặt đáy quá dày trong khi khe hở hàn quá hẹp (0 - 0,8 mm) thì kết quả nhận được liên kết hàn tại vùng mặt đáy sau khi hàn cả 2 phía như thể hiện trên hình 5.3a. Trường hợp này không tạo ra được liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 do tồn tại một lớp màng ôxit sắt ngăn cách giữa KLMH và mặt đáy của tấm thép.
Điều này có thể lý giải như sau: do khe hở hàn quá hẹp trong khi mặt đáy lại dày nên khi hàn phía thứ nhất, KLMH không tràn được vào khe đáy (vì tính thấm ướt của nhôm lỏng lên bề mặt tấm thép quá thấp). Mặt khác, do khi hàn phía thứ nhất trong khi lại không phun khí bảo vệ mặt sau (phía đối diện), nên tấm thép sẽ bị ôxi hóa mạnh ở bề mặt phía
88
a) Hiện tượng lẫn xỉ (x500)
b) Bề mặt không sạch
c) Thiếu khí bảo vệ
d) Lớp IMC dày tại các vị trí góc (x500)
mặt sau do nó được nung đến nhiệt độ cao. Trước khi hàn phía thứ 2 đã tiến hành đánh lớp ôxit trên bề mặt mép hàn bằng bài chải có sợi thép không gỉ, nhưng do khe đáy quá hẹp nên không làm sạch được triệt để, dẫn đến ôxit sắt còn kẹt lại trong khe đáy và sau khi hàn phía thứ 2 sẽ không tạo được liên kết tại vùng mặt đáy này. Kết quả phân tích cấu trúc siêu tế vi bằng hiển vi điện tử quét (SEM) và kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ở mục 5.8 sẽ cho ta biết rõ về lớp ôxit sắt này.
thép dạng chữ T Trên hình 5.3b là kết quả của việc không làm sạch triệt để bề mặt tấm thép khi hàn phía mặt sau. Chúng ta thấy rằng nếu trên bề mặt tấm thép CCT38 còn tồn tại lớp ôxit thì khả năng thấm ướt của KLMH lên tấm thép đó sẽ rất kém, dẫn đến mối hàn bị vón cục và không tạo được liên kết. Điều này cũng phản ánh đúng với lý thuyết đã nghiên cứu kỹ ở chương 2 (lớp ôxit làm tăng mức năng lượng hoạt hóa và cản trở tính thấm ướt). Do vậy mà khi hàn, bắt buộc phải làm sạch thật triệt để các lớp oxit, bụi bẩn,... ở trên bề mặt của tấm thép.
Hình 5.3c biểu diễn kết quả của quá trình hàn thiếu khí bảo vệ (lưu lượng khí bảo vệ chỉ là 6 lít/phút so với mức đủ khí là 10 lít/phút). Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, nếu khi hàn mà sử dụng thiếu khí bảo vệ thì mối hàn cũng không hình thành được do bị ôxi hóa bề mặt làm cản trở quá trình thấm ướt kim loại và mối hàn có nhiều ôxit.
Cũng xuất phát từ kết quả mô phỏng chu trình nhiệt hàn tại các nút trên bề mặt tấm thép như đã trình bày trong mục 3.4.2.3 (đã cho thấy trước rằng: tại vị trí góc sẽ có nhiệt độ lớn hơn), tác giả đã tiến hành hàn thử nghiệm trên tấm thép được mài với góc nhọn và lượn cong. Kết quả nhận được sau khi hàn được thể hiện trong hình 5.3d và cũng cho thấy rằng tại vị trí góc nhọn thì lớp IMC dày hơn do các nguyên tử Fe tại đây khuếch tán sang KLMH nhiều hơn (bởi vì tại đây có nhiệt độ cao hơn và thời gian khuếch tán cũng lâu
89
hơn). Như vậy kết quả thực tế đã chứng minh các kết luận từ mô phỏng là đúng, hay nói cách khác là mô phỏng phản ánh đúng thực tế. Kết quả trên hình 5.3d cũng cho thấy rằng tại vị trí vát mép lượn cong thì lớp IMC mỏng và đều do dòng chảy của kim loại lỏng trên bề mặt tấm thép được tốt hơn. Kết quả này là một phát hiện mới, quan trọng và thú vị giúp chúng ta có cách chuẩn bị mép hàn hợp lý hơn trong quá trình sản xuất sau này. 5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T
Ở phần này trình bày các kết quả thử kéo và bẻ liên kết hàn nghiên cứu theo sơ đồ và thiết bị đã mô tả trong mục 4.5.1. Trong đó, hình 5.4 là biên bản thử kéo liên kết hàn hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 dạng chữ T (mẫu K03).
hàn với năng lượng đường 680 J/mm
Biên bản thử kéo mẫu K03 cho thấy rằng, độ bền cắt (kéo trượt) trong trường hợp này đạt được 89 MPa, lớn hơn độ bền trượt của nhôm AA1100 ở trạng thái ủ là 62,1 MPa theo
90
tài liệu [63]. Kết quả thử kéovà giá trị trung bình của 5 mẫu kéo được mô tả trong bảng 5.1 dưới đây.
Mẫu kéo K01 K02 K03 K04 K05 Giá trị trung bình Giới hạn bền cắt [MPa] 76 81 89 73 82 80,2
Hình 5.5 dưới đây là biên bản thử bẻ mẫu U02 của liên kết hàn hybrid nhôm AA1100 với thép CCT38 dạng chữ T dày 5mm khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm.
91
Biên bản thử bẻ mẫu U02 ở trên cho thấy rằng, độ bền đạt được trong trường hợp này là 38 MPa, nhỏ hơn nhiều so với độ bền cắt. Kết quả thử bẻ và giá trị trung bình của 5 mẫu bẻ được mô tả trong bảng 5.2 dưới đây.
Mẫu bẻ U01 U02 U03 U04 U05 Giá trị trung bình Giới hạn bền [MPa] 34 38 31 35 30 33,6
a) Vát góc, khe hở hàn 1,5mm, q=680J/mm
b) Vát cong, khe hở hàn 2mm, q=700,4 và 680J/mm
Tiến hành cắt mẫu bằng máy cắt Plasma CNC và máy cắt dây CNC ở kích thước phù hợp với gá mẫu của hệ thống hiển vi quang học, sau đó mài phẳng và đánh bóng rồi chụp ảnh bằng Smartphone hiện có sẽ nhận được các kết quả về cấu trúc thô đại (Macro) của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T như thể hiện trên hình 5.6 dưới đây.
Liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đã giới thiệu là sự lai ghép giữa hàn nóng chảy bên phía tấm nhôm AA1100 và hàn vảy bên phía tấm thép CCT38. Trên hình 5.7 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100. Chúng ta thấy rằng cấu trúc của mối hàn tại đây giống với các mối hàn nóng chảy thông thường khi hàn nhôm AA1100
92
(tấm biên) và hợp kim nhôm Silic (KLMH là hợp kim Al-5%Si). Sự hình thành liên kết hàn theo cơ chế hòa tan – kết tinh từ trạng thái lỏng. Do KLMH và tấm nhôm AA1100 là những vật liệu cùng chủng loại có các tính chất khác nhau không nhiều, nên khi hàn chúng sẽ dễ dàng hòa trộn vào nhau ở mức không hạn chế. Kết quả là hình thành một đường viền chảy (nếu xét theo tiết diện ngang) mà tại đây kim loại hòa tan hoàn toàn vào nhau ở trạng thái lỏng rồi kết tinh tạo thành mối hàn sau khi nguội.
5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38
Như đã tìm hiểu ở các phần trên, nếu để tấm thép bị nóng chảy khi hàn thì sẽ không nhận được liên kết hàn mà chúng sẽ bị tách rời ngay sau khi hàn (hình 5.1a). Để nhận được liên kết hàn nhôm – thép thì phải sử dụng chế độ nhiệt thật phù hợp để sao cho tại bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 chỉ hình thành liên kết hàn vảy theo cơ chế khuếch tán – tiết pha.
Trên hình 5.8 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm bằng quá trình hàn TIG với năng lượng đường q = 680 J/mm. Các hình 5.8a và hình 5.8c là kết quả khi hàn phía thứ nhất, còn các hình 5.8b và hình 5.8d là kết quả sau khi hàn phía thứ hai. Kết quả phân tích kim tương học cho thấy rằng, khi hàn với năng lượng đường bằng với cận dưới của dải năng lượng đường tối ưu (680 J/mm) thì sẽ nhận được lớp IMC có chiều dày rất nhỏ (dưới 5 µm) và kim loại có cấu trúc liên tục – nghĩa là đã thực hiện được sự liên kết kim loại (hàn) giữa hai vật liệu nhôm và thép. Mặt khác mối hàn không bị nứt nên sẽ có cơ tính cao.
93
a) Vùng liên kim đều (phía 1, x500)
b) Vùng liên kim phân tán (phía 2, x500)
c) Vùng không có liên kim (phía 1, x500)
d) Liên kết sau khi tẩm thực (phía 2, x1000)
Khi hàn phía thứ 2, do còn một lượng nhiệt dư sau khi hàn phía thứ nhất nên khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe từ tấm thép CCT38 vào trong KLMH sẽ nhanh hơn. Kết quả là lớp IMC nhận được có dạng phân tán hơn (hình 5.8b), điều này lại là là có lợi về mặt cơ tính. Sau khi tẩm thực phối hợp cho cả nhôm và thép ta sẽ nhận được kết quả ở hình 5.8d. Chúng ta thấy rằng trong trường hợp này cấu trúc kim loại liên tục, không nứt, không lẫn tạp chất nên có thể khẳng định rằng đã tạo ra được sự liên kết giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 như đề tài mong muốn.
Qua phân tích kim tương học như thể hiện trên các hình 5.8a, 5.8b và 5.8d, chúng ta cũng thấy rằng lớp IMC lệch về phía KLMH, phát triển trong vùng KLMH là chính và theo hướng từ phía tấm thép CCT38 về phía KLMH. Như vậy giả thuyết mà tác giả đưa ra trong mục 2.3.3 đã được chứng minh là đúng. 5.7. Độ cứng trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép 5.7.1. Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC:
Khảo sát độ cứng tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm – thép tại vùng không có lớp IMC trên hình 5.9 ta được các kết quả trình bày trong bảng 5.3, trong đó kết quả đo tại các vị trí B1 và B2 có giá trị trung bình so với độ cứng của nhôm AA1100 và thép CCT38.
94
Vị trí đo
Giá trị HV
T1
171
T2
174
T3
178
T4
190
BT1
130
B1
88
B2
87
M1
73
5.7.2. Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC:
IMC
Vị trí đo
Giá trị HV
176
T1
174
T2
180
T3
454
BT1
876
IMC1
883
IMC2
169
BM1
213
BM2
330
BM3
80
M1
Kết quả đo độ cứng tế vi của liên kết tại vùng có lớp IMC (hình 5.10) được trình bày trong bảng 5.4 dưới đây. Chúng ta thấy rằng lớp IMC có độ cứng rất lớn (gần 900 HV), do vậy mà liên kết nào có chiều dày lớp IMC lớn thì khả năng chịu tải sẽ kém, đặc biệt là tải trọng động hay tải va đập. Cũng chính vì vậy mà cần phải khống chế chiều dày của lớp IMC này ở mức tối thiểu để nâng cao khả năng làm việc của liên kết. So với các giá trị độ cứng trong bảng 2.6 thì độ cứng tế vi của lớp IMC trong trường hợp này ở mức trung bình. Bảng 5.4 Độ cứng tại vùng liên kết có lớp
Để tránh lãng phí không cần thiết, dưới đây sẽ chỉ đi sâu phân tích và đánh giá các kết quả hàn trên mẫu ở chế độ hàn số 5 (ứng với năng lượng đường q = 680 J/mm).
5.8.1. Cấu trúc siêu tế vi dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM):
Tiến hành mài và đánh bóng mẫu ở mức độ siêu sạch, phẳng và bóng, rồi đem tẩm thực và soi dưới kính hiển vi điện tử dạng quét (SEM) trên 4 vùng đặc trưng của liên kết hàn đạt yêu cầu, ta nhận được các kết quả trên hình 5.11 dưới đây.
95
a) Vùng liên kim đều (phía 1, x4000)
b) Vùng liên kim phân tán (phía 2, x4000)
c) Vùng không có liên kim (mặt vát, x6500) d) Vùng chứa ôxit sắt (mặt đáy, x3500)
Hình 5.11a là kết quả phóng đại 4000 lần tại vùng liên kết giữa KLMH với mặt đứng của tấm thép CCT38 khi hàn phía thứ nhất. Chúng ta thấy rằng cấu trúc kim loại liên tục và không có khuyết tật. Lớp liên kim khá đều và có chiều dày trung bình chỉ khoảng 6 µm, nhỏ hơn nhiều so với giá trị giới hạn như đã tìm hiểu trong chương tổng quan. Nghĩa là liên kết sẽ có cơ tính tốt.
Hình 5.11b là kết quả phóng đại 4000 lần tại vùng liên kết giữa mặt đứng của tấm thép CCT38 với KLMH khi hàn phía thứ hai. Cũng giống như kết quả soi trên kính hiển vi quang học, chúng ta thấy rằng cấu trúc kim loại liên tục và không có khuyết tật. Lớp liên kim IMC phát triển trong vùng KLMH và trong trường hợp này cũng có chiều dày khoảng 6 µm, nhưng lại phân bố phân tán nên rất có lợi về mặt cơ tính. Hình ảnh này cũng chứng minh giả thuyết đưa ra ở mục 2.3.3 là đúng.
Hình 5.11c là kết quả phóng đại 6500 lần tại vùng liên kết giữa KLMH và mặt vát của tấm thép CCT38 khi hàn phía thứ nhất. Chúng ta thấy rằng cấu trúc kim loại liên tục và đặc biệt là không xuất hiện tổ chức IMC do thời gian khuếch tán đủ nhỏ để cho lượng nguyên tử Fe khuếch tán sang KLMH và nguyên tử Al khuếch tán sang tấm thép CCT38 chưa vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa thành dung dịch đặc. Liên kết dạng này sẽ có cơ tính tốt hơn so với vị trí có lớp IMC. Các kết quả trên các hình 5.11a, 5.11b và 5.11c cũng chứng minh rằng hoàn toàn đã tạo ra được sự liên kết kim loại giữa KLMH với tấm thép CCT38 như kỳ vọng đặt ra.
96
Trên hình 5.11d là kết quả phóng đại 3500 lần tại vùng mặt đáy của liên kết hàn khi hàn cũng với năng lượng đường 680 J/mm nhưng để khe hở hàn nhỏ (< 1 mm). Chúng ta thấy rằng cấu trúc kim loại không liên tục do có lớp màng ôxit ngăn cách giữa KLMH và tấm thép CCT38. Xuất hiện vết nứt liên tục tại bề mặt tiếp giáp giữa lớp ôxit sắt và tấm thép. Vết nứt này rất nhỏ (ở mức siêu tế vi) nên kính hiển vi quang học (với độ phóng đại x500) không phát hiện ra (hình 5.3a). Điều này đặt ra vấn đề là cần thiết phải sử dụng phương pháp chụp ảnh bằng hiển vi điện tử (SEM) để kiểm tra chất lượng hàn. Nếu chỉ chụp ảnh bằng hiển vi quang học hay kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (RT) thì có thể dẫn tới tình trạng bỏ sót khuyết tật quan trọng!.
5.8.2. Phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật EDS:
Để xác định thành phần kim loại cụ thể trong tổ chức IMC và trong vùng nghi là ôxit sắt (hình 5.11d), tác giả sử dụng kỹ thuật phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS). Thông qua phổ tán sắc năng lượng tia X thu được do sự bắn phá của điện tử vào các vị trí khảo sát sẽ cho biết thành phần hóa học chính xác tại các vị trí bắn phá đó.
a) Lớp IMC và các vị trí khảo sát thành phần
b) Thành phần kim loại ở vị trí 1
c) Thành phần kim loại ở vị trí 2
d) Thành phần kim loại ở vị trí 3
Các vị trí khảo sát và thành phần kim loại tương ứng được trình bày trong hình 5.12 dưới đây. Trong đó, vị trí khảo sát số 1 (Spectrum 1) nằm ở giữa lớp IMC, vị trí khảo sát số 2 (Spectrum 2) nằm trong lớp IMC và ở sát tấm thép CCT38 còn vị trí khảo sát số 3 (Spectrum 3) cũng thuộc lớp IMC nhưng ở xa bề mặt gianh giới với tấm thép CCT38.
97
a) Lớp ôxit sắt và vị trí khảo sát thành phần
b) Thành phần nguyên tố ở vị trí 5
Như vậy khi hàn không nên để khe hở hàn quá bé dẫn đến hiện tượng kẹt xỉ do không làm sạch được triệt để bề mặt tấm thép khi hàn phía thứ 2. Kết hợp với kết quả đã tìm ra trong nghiên cứu ở mục 5.3 (hình 5.3d), tác giả khuyến cáo nên vát mép tấm thép ở dạng lượn cong, vát lệch về phía mối hàn thứ nhất, để mặt đáy nhỏ và vê tròn các góc như thể hiện trong hình 5.6b. Đây là một phát hiện mới, có ý nghĩa rất cao trong thực tiễn hàn liên kết hybrid nhôm – thép ở dạng chữ T thực hiện cả 2 phía.
5.9. Nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại trong liên kết hàn nhôm – thép bằng phổ tán sắc năng lượng tia X
Để tìm hiểu về quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha liên kim ở vùng gianh giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 nhằm mục đích tìm hiểu kỹ về bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đề tài luận án đề cập cũng như chứng minh giả thuyết đã đưa ra ở mục 2.3.3, tác giả áp dụng kỹ thuật phân tích EDS trên toàn bộ bề mặt của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38. Dưới đây sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu về quá trình khuếch tán kim loại tại hai vùng đặc trưng trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG đã thực hiện ở trên.
5.9.1. Khuếch tán kim loại tại vùng không chứa lớp IMC:
EDS là kỹ thuật vi phân tích tiên tiến, hiện đại và có độ chính xác rất cao dùng để nghiên cứu sự phân bố của các nguyên tố trong vùng bề mặt vật chất khảo sát. Bằng việc bắn phá điện tử trên toàn bộ bề mặt của vật chất khảo sát sẽ thu được một vùng phổ tán sắc năng lượng tia X trên toàn bộ bề mặt khảo sát đó. Thông qua sự tương tác khác nhau của electron với các nguyên tử khác loại, thiết bị phân tích EDS sẽ hiển thị lên một hình ảnh dưới dạng Mapping mô tả sự phân bố (vị trí và mật độ phân bố) của các nguyên tố trong toàn bộ diện tích khảo sát. Nhờ đó giúp chúng ta có thể đánh giá được khả năng và quá trình khuếch tán của các nguyên tử trong vùng diện tích vật chất khảo sát đó.
Kết quả phân tích EDS trong vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38, tại nơi không xuất hiện pha liên kim IMC được thể hiện bằng hình ảnh Mapping như mô tả trong hình 5.14a. Trong trường hợp này, kết quả đưa ra cho thấy rằng trong toàn bộ vùng diện tích khảo sát chỉ có mặt của 4 nguyên tố đó là Al, Fe, Si và C. Điều này cũng phản ánh đúng với thực tế sử dụng vật liệu (gồm thép CCT38 và nhôm AA1100).
98
Phân tích hình ảnh trên hình 5.14a cho chúng ta thấy rằng có sự di chuyển (khuếch tán) của các nguyên tử Fe, Al, Si và C trong vùng khảo sát này. Trong đó, các nguyên tử Fe (màu xanh lá cây) và các nguyên tử C (màu xanh lơ) di chuyển từ tấm thép CCT38 sang KLMH, còn các nguyên tử Al (màu đỏ) cùng với các nguyên tử Si (màu xanh nước biển) di chuyển từ KLMH sang tấm thép CCT38. Tỷ lệ phần trăm về khối lượng của các nguyên tố kim loại xét trong toàn bộ ảnh phổ được thể hiện trong hình 5.14c (Al=48%, Fe=46%, C=5%, Si=1%) và cấu trúc siêu tế vi nhìn dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) của vùng kim loại khảo sát được thể hiện trong hình 5.14b.
a) Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC
b) Cấu trúc siêu tế vi vùng liên kết không IMC
c) Hàm lượng các nguyên tố trong ảnh phổ
Quan sát tại biên giới giữa KLMH và tấm thép CCT38 trên hình 5.14a chúng ta thấy rất rõ rằng các nguyên tử Fe tràn sang vùng KLMH nhiều hơn so với các nguyên tử Al di chuyển sang tấm thép CCT38. Điều này là minh chứng rõ nét cho giả thuyết về quá trình khuếch tán của các nguyên tử Fe và Al như đã nêu trong mục 2.3.3
99
khăn hơn, trong khi thời gian khuếch tán hiệu quả lại nhỏ (khoảng 6 giây). Cũng trong khoảng thời gian đó, kết quả trên hình 5.15b cho thấy rằng các nguyên tử Fe khuếch tán từ tấm thép CCT38 vào trong KLMH nhiều hơn so với các nguyên tử Al khuếch tán sang tấm thép. Điều này có thể được lý giải vì môi trường khuếch tán (KLMH) ở trạng thái lỏng nên điều kiện khuếch tán dễ dàng hơn. Nghĩa là giả thuyết trong mục 2.3.3 đã được củng cố.
Như vậy, điều kiện và môi trường khuếch tán kim loại khi hàn nhôm với thép bằng quá trình hàn TIG nói riêng và bằng hồ quang nói chung là rất bất lợi, bởi lẽ Al có khả năng hòa tan vào Fe nhiều (khoảng 12%, hình 2.12) thì lại khuếch tán ít, còn Fe có khả năng hòa tan vào Al rất ít (tối đa 0,05%, hình 2.10) thì lại khuếch tán nhiều. Do đó mà khả năng hình thành các pha liên kim IMC là rất khó tránh khỏi. Điều này cũng giải thích lý do hàn nhôm với thép ở trạng thái rắn (solid state) như các quá trình hàn nổ, hàn ma sát, hàn xung từ hay hàn khuếch tán sẽ cho chất lượng tốt hơn so với các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy như hàn Laser và hàn hồ quang.
a) Phổ phân bố của nguyên tử Al
b) Phổ phân bố của nguyên tử Fe
c) Phổ phân bố của nguyên tử Si
d) Phổ phân bố của nguyên tử C
Do hàm lượng của Si và C trong kim loại rất nhỏ nên lượng nguyên tử khuếch tán của Si và C trong các hình 5.15 c) và d) là không lớn, nên phân bố của các nguyên tử Si và C giữa các vùng KLMH và tấm thép có chênh lệch nhau không nhiều. Riêng đối với nguyên tố Si, do ở trong KLMH có tồn tại các hạt Si dưới dạng tinh thể cho nên chúng ta nhìn thấy các cụm nguyên tử Si tại một số vị trí trên hình 5.15c.
100
Các hình ảnh trên hình 5.14 và 5.15 chủ yếu có tính chất định tính, cho phép chúng ta có cái nhìn tổng quát và sơ bộ về quá trình khuếch tán. Muốn biết được chính xác mức độ khuếch tán kim loại, chúng ta cần phải đo đạc về mặt định lượng. Kết quả phân tích thành phần kim loại tại các vị trí cần khảo sát trên hình 5.16b được thể hiện trên hình 5.16c và 5.16d. Ở đây hai vị trí khảo sát đều nằm cách biên giới giữa KLMH và tấm thép một khoảng cách bằng nhau (4 µm).
a) Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết
b) Cấu trúc siêu tế vi vùng liên kết không có IMC
c) Thành phần hợp kim tại vị trí 1
d) Thành phần hợp kim tại vị trí 2
Kết quả phân tích tại vị trí khảo sát số 1 thuộc vùng KLMH cho thấy hàm lượng Fe là 2,4%, còn tại vị trí khảo sát số 2 thuộc tấm thép CCT38 cho biết hàm lượng Al chỉ là 0,3%. Nghĩa là giả thuyết ở mục 2.3.3 cũng được củng cố thêm chứng cứ.
5.9.2. Khuếch tán kim loại tại vùng có lớp IMC:
Kết quả phân tích EDS trong vùng liên kết giữa tấm thép CCT38 và KLMH tại nơi có pha liên kim IMC được thể hiện trong hình 5.17 dưới đây. Trong đó, hình ảnh Mapping ở hình 5.17a cũng cho thấy rằng trong toàn bộ vùng diện tích khảo sát chỉ có mặt của 4 nguyên tố Al, Fe, Si và C, điều này cũng phản ánh đúng với thực tế sử dụng vật liệu (gồm thép CCT38, nhôm AA1100 và dây hàn ER4043 có 5%Si). Hình 5.17b là cấu trúc siêu tế vi và hình 5.17c là tỷ lệ phần trăm khối lượng nguyên tử của ảnh Mapping trên hình 5.17a. Kết quả phân tích tại các vùng nằm ở phía trong của tấm thép CCT38 và phía trong của KLMH giống với trường hợp không có pha liên kim như đã trình bày trong mục 5.9.1 ở trên. Tuy nhiên, tại vùng biên giới giữa tấm thép CCT38 và KLMH ở trường hợp này (vùng tổ chức liên kim IMC) có ảnh phổ rất khác biệt so với ảnh phổ trên biên giới của hình 5.14a. Tại đây có sự có mặt của nhiều loại nguyên tố gồm Al, Fe, Si và có thể còn có cả nguyên tố C.
Kết quả phân tích EDS dọc theo đường cắt ngang qua lớp IMC trên hình 5.17d cho biết rõ quy luật phân bố của các nguyên tố đi từ tấm thép qua lớp IMC đến vùng KLMH.
101
a) Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết có chứa lớp IMC
b) Cấu trúc siêu tế vi vùng liên kết có chứa IMC
c) Hàm lượng các nguyên tố trong ảnh phổ
d) Phân bố của các nguyên tố theo đường cắt ngang qua lớp IMC
Chúng ta thấy rằng trong tấm thép CCT38, các nguyên tố Fe phân bố đều. Nồng độ của Fe bắt đầu giảm khi đi đến vùng IMC và giảm đột ngột về 0 khi tiến vào vùng KLMH. Điều này mô tả đúng nồng độ hòa tan rất thấp của Fe trong Al. Còn đối với Al, các nguyên tử Al sẽ phân bố tương đối đều trong vùng KLMH và bắt đầu giảm đi tới vùng IMC. Vượt qua vùng IMC, nồng độ của Al không giảm đột ngột về 0 mà giảm từ từ. Điều này có thể hiểu được vì khả năng hòa tan tối đa của Al trong Fe là khoảng 12% [47].
102
Kết quả trên hình 5.17d cũng cho biết rằng, trong vùng IMC có mặt cả 3 nguyên tố Al, Fe và Si, nghĩa là lớp IMC này là hợp chất hóa học 3 nguyên AlxFeySiz. Đặc biệt là tại vùng IMC này, chúng ta thấy hàm lượng của Si cao hơn các vùng còn lại (trừ những nơi có hạt tinh thể Si riêng biệt trong KLMH). Điều này có thể hiểu rằng các nguyên tử Si có xu hướng tích tụ về nơi có hợp chất liên kim IMC để tạo nên liên kim 3 nguyên hệ AlxFeySiz. Theo kết quả phân tích độ cứng trong mục 5.7.2 thì liên kim dạng này có độ cứng nhỏ hơn một số liên kim hệ hai nguyên FexAly và theo nghiên cứu lý thuyết ở mục 2.3.4.3 thì nguyên tố Si có tác dụng làm giảm chiều dày của lớp IMC. Như vậy việc sử dụng dây hàn hệ Al-5%Si là rất phù hợp đối với liên kết hàn hybrid giữa nhôm và thép bằng quá trình hàn hồ quang nói chung và hàn TIG nói riêng. Kết quả nghiên cứu này cũng đã làm sáng tỏ thêm cho các nghiên cứu trong các tài liệu [36, 60].
a) Phổ phân bố của nguyên tử Al
b) Phổ phân bố của nguyên tử Fe
c) Phổ phân bố của nguyên tử Si
d) Phổ phân bố của nguyên tử C
Các hình ảnh phổ phân bố của từng nguyên tố riêng biệt trong trường hợp này được thể hiện trong hình 5.18 dưới đây. Cũng giống như tại vùng không có lớp IMC, khuếch tán của Al sang tấm thép là không đáng kể trong khi đó khuếch tán của Fe sang KLMH là rất nhiều, dẫn đến việc hình thành lớp hợp chất liên kim cứng và giòn.
103
a) Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết b) Cấu trúc siêu tế vi vùng liên kết có lớp IMC
c) Thành phần hợp kim tại vị trí 3
d) Thành phần hợp kim tại vị trí 4
KLMH cho biết hàm lượng Fe là 2,0%, kết quả này khá giống với trường hợp không có lớp IMC ở trên.
Qua phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương này, chúng ta thấy rằng việc hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn hồ quang nói chung và hàn TIG nói riêng sẽ gặp rất nhiều khó khăn so với trường hợp hàn các cặp kim loại cùng chủng loại thông thường do hình thành lớp liên kim IMC cứng và giòn. Quá trình hàn chỉ thành công nếu như chúng ta sử dụng năng lượng đường phù hợp (nhỏ nhất có thể) kết hợp với việc vát mép hợp lý, loại bỏ các nhấp nhô tế vi và để khe hở hàn đủ lớn, cùng với việc lựa chọn vật liệu hàn thích hợp cũng như phải áp dụng các kỹ thuật đặc biệt.
Ở chương này, tác giả đã đưa ra được tất cả các kết quả đặc trưng của quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép chữ T, hàn cả 2 phía mà không dùng thuốc hàn hay vật liệu trung gian. Đã tiến hành phân tích và đánh giá đầy đủ về các kết quả nhận được, thông qua đó đã đưa ra được các giải pháp kỹ thuật thích hợp nhằm hạn chế các khuyết tật gặp phải và nâng cao chất lượng của liên kết hàn.
Tác giả cũng đã áp dụng các kỹ thuật tiên tiến để phân tích và đánh giá chất lượng hàn một cách triệt để nhất bảo đảm độ tin cậy. Đã chứng minh được giả thuyết đưa ra và lý giải được đầy đủ về cơ chế, bản chất và điều kiện hình thành liên kết kim loại giữa nhôm và thép khi hàn bằng quá trình hàn hồ quang nói chung và quá trình hàn TIG nói riêng. Qua đánh giá các kết quả nghiên cứu, có thể khẳng định rằng chế độ hàn số 5 với năng lượng đường q = 680 J/mm là thích hợp nhất đối với bài toán đặt ra trong luận án này.
104
2. Xây dựng được một chương trình tính toán thiết kế tối ưu kết cấu hàn bằng phương pháp số, áp dụng trực tiếp vào việc tính toán các kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T mà đề tài luận án đề cập. Chương trình máy tính có thể áp dụng cho các kết cấu lớn và phức tạp với nhiều loại vật liệu khác nhau. Từ một lựa chọn sơ bộ bất kỳ, chương trình máy tính sẽ tự động tìm ra được một bộ thông số tối ưu về kích thước, theo nghĩa: chọn được kết cấu có thể tích hay trọng lượng nhỏ nhất trong khi vẫn bảo đảm được các điều kiện làm việc ở tải trọng cụ thể.
3. Qua nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến hiện tượng quá nhiệt trên tấm thép CCT38, đã tìm ra được góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o là phù hợp nhất đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T.
4. Bằng phương pháp mô phỏng số, đã xây dựng được mối quan hệ giữa năng lượng đường cấp vào vùng hàn với nhiệt độ cực đại tại các vị trí trong tiết diện của liên kết hàn (hình 3.32) và thời gian khuếch tán tại các vị trí trên bề mặt tấm thép (hình 3.33), thông qua đó đã xác định được vùng năng lượng đường phù hợp đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm là q = 680 – 720 [J/mm], trong đó hàn với năng lượng đường q = 680 [J/mm] là tối ưu nhất.
5. Đã tìm ra được dạng chuẩn bị mép hàn thích hợp đối với liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T để bảo đảm khả năng điền đầy kim loại lỏng vào rãnh hàn, là kiểu vát lượn cong về một phía, để mặt đáy khoảng 1 mm và khe hở hàn đủ lớn (khoảng 1,5 – 2 mm) rồi tiến hành hàn ở phía lượn cong trước.
6. Kết quả thực nghiệm cho biết rằng, để bảo đảm khả năng thấm ướt của kim loại vũng hàn lên bề mặt của tấm thép, cần phải làm sạch rất triệt để bề mặt tấm thép khỏi các chất dầu mỡ, bụi bẩn hay oxit và sử dụng lưu lượng khí bảo vệ thích hợp.
7. Qua việc phân tích cấu trúc tế vi bằng phương pháp hiển vi quang học cho biết rằng, để tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ trên bề mặt tấm thép nhằm bảo đảm lớp IMC mỏng và đều thì cần phải loại bỏ các nhấp nhô tế vi trên bề mặt tấm thép và vê tròn các góc của tấm thép trước khi lắp ghép.
8. Áp dụng các kỹ thuật tiên tiến, hiện đại và có độ chính xác cao như hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) để phân tích cấu trúc siêu tế vi và thành phần nguyên tố, đã chứng minh cho giả thuyết về bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn giữa nhôm với thép mà tác giả nêu ra, đồng thời củng cố và làm sáng tỏ thêm cho các nghiên cứu trong các tài liệu [36, 60].
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Bản luận án này còn bỏ ngỏ một số vấn đề chưa triển khai nghiên cứu, kiến nghị các tác
giả sau nghiên cứu tiếp những vấn đề dưới đây: 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng đường đến chiều dày của lớp IMC. 2. Nghiên cứu quá trình thấm ướt của KLMH trên bề mặt của tấm thép. 3. Nghiên cứu tiếp đối với các cặp hợp kim nhôm và các loại thép khác nhau để có thể áp dụng một cách rộng rãi và đa dạng hơn nữa vào trong thực tiễn.
105
Tài liệu tham khảo tiếng Việt: [1] Ngô Lê Thông (2007) Công nghệ hàn điện nóng chảy – tập 2. NXB KHKT, Hà Nội 2007.
[2] Hà Minh Hùng (2003) Hàn bằng năng lượng nổ. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2003.
[3] Lương Văn Tiến (2012) Nghiên cứu Công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp thép - hợp kim nhôm dùng trong Công nghiệp đóng tàu thuỷ. Luận án Tiến sỹ Công nghệ tạo hình vật liệu. Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương, Hà Nội 2012.
[4] Vũ Đình Toại (2009) Bài giảng Các quá trình hàn đặc biệt. Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội 2010.
[5] TCVN 1659 (1975) Nhôm và hợp kim nhôm – Mác và yêu cầu kỹ thuật. Hà Nội 1975. [6] TCVN 1765 (1975) Thép cacbon kết cấu thông thường – Mác thép và yêu cầu kỹ thuật. Hà Nội 1975.
[7] Lê Công Dưỡng (1996) Vật liệu học. NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1996. [8] B. N. Arzamaxov (Người dịch: Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh Nghiệp, Chu Thiên Trường, Nguyễn Khắc Xương) (2000) Vật liệu học. NXB Giáo dục, Hà Nội 2000. [9] Vũ Đình Toại (2011) Bài giảng Xử lý nhiệt khi hàn. Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội 2011.
[10] Vũ Đình Toại, Võ Văn Phong (2006) Mô phỏng trường nhiệt độ, trường ứng suất và biến dạng nhiệt trong quá trình hàn nóng chảy bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tạp chí Khoa học & Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, Số 57, Hà Nội 2006.
Tài liệu tham khảo tiếng Anh: [11] McKenney,C.R.,Banker,J.G. (1971) Explosion-Bonded Metals for Marine Structural Applications. Marine Technology, July 1971, p.285-292.
[12] Keith, Donald, J. and Amy Blair (2007) Fracture Mechanics Characterization of Aluminum Alloys for Marine Structural Applications. Ship Structure Committee report SSC-448, 2007.
[13] Jurgen Vrenken, Cierick Goos, Tony van der Veldt, Wolfgang Braunschweig (2009) Fluxless Laser Brazing of Aluminium to Steel. Joining in Automotive Engineering 2009.
[14] George A. Young, John G. Banker (2004) Explosion Welded, Bi-Metallic Solutions to Dissimilar Metal Joining. Texas Section of the Society of Naval Architects and Marine Engineers. Proceedings of the 13th Offshore Symposium, Houston, Texas February 24, 2004.
[15] David Cutter (2006) What you can do with explosion welding. Welding journal, July 2006, pp. 38-43.
[16] K. Kimapong and T. Watanabe (2004) Friction Stir Welding of Aluminum Alloy to Steel. Welding journal, October 2004, pp. 277-282.
[17] Ahmed Elrefaey, Makoto Takahashi, and Kenji Ikeuchi (2005) Friction-Stir-Welded Lap Joint of Aluminum to Zinc-Coated Steel. Already published in Quarter. J. Japan Weld. Soc., 23-2 (2005).
[18] S. Bozzi, A. L. Etter, T. Baudin, A. Robineau, and J. C. Goussain (2007) Mechanical Behaviour and Microstructure of Aluminum-Steel Sheets Joined by FSSW. S. Bozz, sandrine.bozzi@u-psud.fr, 12 December 2007.
106
[19] V. Soundararajan, M. Valant and R. Kovacevic (1991) An Overwiew of R&D Work in Friction Stir Welding at SMU. Association of Metallurgical Engineers of Serbia (AMES). Metalurgija - Journal of Metallurgy (MJoM), pp275-295.
[20] Tomokatsu Aizawa and Mehrdad Kashani (2007) Magnetic Pulse Welding (MPW) Method for Dissimilar Sheet Metal Joints. Welding journal, May 2007, Vol. 86, pp.119-124.
[21] T. Aizawa, M. Kashani, and K. Okagawa (2007) Application of Magnetic Pulse Welding for Aluminum Alloys and SPCC Steel Sheet Joints. Welding journal, Vol. 86, May 2007.
[22] Serizawa Hisashi, Shibahara Isao, Rashed Sherif and Murakawa Hidekazu (2009) in Magnetic Pressure Seam Welding. Numerical Study of Joining Process Transactions of JWRI, Vol.38, No.1 (2009).
[23] Ji-Yeon Shim Soo Kim Moon-Jin Kang In-Ju Kim Kwang-Jin Lee and Bong-Yong Kang (2011) Joining of Aluminum to Steel Pipe by Magnetic Pulse Welding. Materials Transactions, Vol. 52, No. 5 (2011) pp. 999 to 1002.
[24] Yuan Zhang, B.S., M.S.(2010) Investigation of Magnetic Pulse Welding on Lap Joint of Similar and Dissimilar Materials. Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University, 2010.
[25] X. Sun, E. V. Stephens, M. A. Khaleel, H. Shao, and D M. Kimchi (2004) Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy to Steel with Transition Material - From Process to Performance - Part I: Experimental Study. Welding journal, June 2004. pp.188-195. [26] Sun and M. A. Khaleel (2004) Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy to Steel with Transition Material — Part II: Finite Element Analyses of Nugget Growth. Supplement to the Welding Journal, July 2004.
[27] Weihua Zhang,Daqian Sun, Lijun Han,Wenqiang Gao and Xiaoming Qiu (2011) Characterization of Intermetallic Compounds in Dissimilar Material Resistance Spot Welded Joint of High Strength Steel and Aluminum Alloy. ISIJ International, Vol. 51 (2011), No. 11, pp. 1870–1877.
[28] F. Wagner, I. Zerner, M. Kreimeyer, T.Seefeld, G. Sepold (2007) Characterization and Properties of Dissimilar Metal Combinations of Fe/Al and Ti/Al-Sheet Materials. BIAS, Bremen Institute of Applied Beam Technology Bremen, Germany 2009.
[29] P. Peyre, G. Sierra, F. Deschaux-Beaume, D. Stuart, G. Fras (2007) Generation of aluminium–steel joints with laser-induced reactive wetting. Materials Science and Engineering: A, Volume 444, Issues 1–2, 25 January 2007, Pages 327-338.
[30] Alexandre Mathieu, Sébastien Pontevicci, Jean-claude Viala, Eugen Cicala, Simone Matteï, Dominique Grevey (2006) Laser brazing of a steel/aluminium assembly with hot filler wire (88% Al, 12% Si). Materials Science and Engineering: A Volumes 435- 436, 5 November 2006, Pages 19-28.
[31] Alexandre Mathieu, Rajashekar Shabadi, Alexis Deschamps, Michel Suery, Simone Matteï, Dominique Grevey, Eugen Cicala (2007) Dissimilar material joining using laser (aluminum to steel using zinc-based filler wire). Optics & Laser Technology, Volume 39, Issue 3, April 2007, Pages 652-661.
[32] F Vollertsen and C Thomy (2007) Laser-MIG Hybrid Welding of Aluminium to Steel – An Analytical Model for Wetting Length. DFG (VO 530/21-2) within the DFG Research Unit FOR 505 “Hybridstrukturen”.
107
[33] C Thomy and F Vollertsen (2007) Laser-MIG Hybrid Welding of Aluminium to Steel – Effect of Process Parameters on Joint Properties. DFG (VO 530/21-2) within the DFG Research Unit FOR 505 “Hybridstrukturen”.
[34] Tetsu Iwase, Seiji Sasabe, Tsuyoshi Matsumoto, Masaki Tanigawa, Makoto Tawara, Yasunori Hattori (2008) Dissimilar Metal Joining between Aluminum Alloy and Hot- dip Aluminized Steel Sheet. Kobelco Technology Review No. 28, Oct. 2008, pp29-34. [35] Honggang Dong , Chuanqing Liao , Guoqing Chen & Chuang Dong (2012) Butt Joining of Aluminum toSteel by Arc Brazing Process. Materials and Manufacturing Processes 26 Nov 2012.
[36] S. Imaizumi (1996) Welding of aluminium to dissimilar metals. Welding International 1996 10 (8) 593-604. Selected from Journal of Light Metal Welding & Construction 1996 34 (2) 15-27; Reference JL/96/2/15: Translation 1995.
[37] Honggang Dong, Wenjin Hu, Yuping Duan, Xudong Wang, Chuang Dong (2012) Dissimilar metal joining of aluminum alloy to galvanized steel with Al–Si, Al–Cu, Al– Si–Cu and Zn–Al filler wires. Journa of Materials processing Technology, Volume 212, Isue 2, February 2012, Pages 458-464.
[38] J.L. Song, S.B. Lin, C.L. Yang, G.C. Ma, H. Liu (2009) Spreading behavior and microstructure characteristics of dissimilar metals TIG welding–brazing of aluminum alloy to stainless steel. Materials Science and Engineering: A Volume 509, Issues 1-2, 25 May 2009, Pages 31-40.
[39] J.L. Song, S.B. Lin, C.L. Yang, C.L. Fan (2009) Effects of Si additions on intermetalliccompound layer of aluminum–steel TIG welding–brazing joint. Journal of Alloys and Compounds, Volume 488. Issue 1, 20 November 2009, Pages 217-222. [40] S.B. Lin, J.L. Song, C.L. Yang, C.L. Fan, D.W. Zhang (2010)Brazability of dissimilar metals tungsten inert gas butt welding–brazing between aluminum alloy and stainless steel with Al–Cu filler metal. Materials & Design, Volume 31, Issue 5, May 2010, Pages 2637-2642.
[41] G. Sierra, P. Peyre, F. Deschaux Beaume, D. Stuart, G. Fras (2008) Galvanised steel to aluminium joining by laser and GTAW processes. Volume 59, Issue 12, December 2008, Pages 1705-1715.
[42] Rattana Borrisutthekul, Pusit Mitsomwang, Sirirat Rattanachan, and Yoshiharu Mutoh (2009) Feasibility Study of Using TIG Welding in Dissimilar Metals Between Steel/Aluminum Alloy. International Conference on Science, Technology and Innovation for Sustainable Well-Being (STISWB), 23-24 July 2009, Mahasarakham University, Thailand.
[43] European Aluminium Association (2002) Materials – Designation system. Version 2002 © European Aluminium Association.
[44] ASM International Metals Handbook Volume 2 (1990) Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. USA 1990.
[45] Frederic Boitout , Damian Dry , Yogendra Gooroochurn , Philippe Mourgue, Harald Porzner (2012) Transient Simulation of Welding Processes: Thermal, Metallurgical and Structural Model. ESI Group, Rungis Cedex, France 2012.
[46] ASM International Metals Handbook Volume 6 (1993) Welding, brazing and soldering. USA 1993.
[47] ASM International Metals Handbook Volume 3 (1992) Alloy phase diagrams. USA 1992.
108
[48] Ghosh G. Aluminium–iron–silicium. In: Petzow G, Effenberg G, editors.Ternary Alloys, vol. 5. Germany: VCH Verlagsgesellshaft; 1991.
[49] Holman, J. P. (1976) Heat Transfer, Fourth Edition. McGraw-Hill, New York, 1976. [50] Zienkiewicz, O. C. (1977) The Finite Element Method. McGraw-Hill Company, London 1977.
[51] Bathe, K. J. (1982) Finite Element Procedures in Engineering Analysis. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1982.
[52] ANSYS User Manual (2012) Theory Reference for ANSYS and Workbench. Ansys Inc. Release 14, 2012.
[53] ESI Groups (2012) Sysweld User Manual - CD Toolbox. 99 Rue Des, Solets Silic 112 94513 Rungis Cedex France.
[54] Kemppi Oy (2012) Operation instruction of Mastertig AC/DC 2000, 2500, 2500W and 3500W. Lahti – Finland 2012.
[55] AWS B4.0M-2000 (2002) Standard Methods for Mechanical Testing of Welds. American Welding Society Inc. Thu Jan 24 10:30:34 2002.
Tài liệu tham khảo tiếng Đức: [56] Bergmann, H.W.; Waldmann, H.; Guyenot, M.; Haldenwanger, H.G.; Korte, M. (2000) Untersuchungsergebnisse zum Laserschweißen von Al auf Stahl für Außenhautanwendungen. European Automotive Laser Application, Bad Nauheim, Automotive Circle International, Berlin 2000.
[57] F. Vollertsen and C. Thomy (2007) Laser-MIG-Hybridfügen von Aluminium-Stahl Leichtbaustrukturen. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2007. [58] Dipl. -Ing. Gerd Trommer (2005) Aluminium und Stahl verbinden sich metallurgisch innig–Thermisches Fügen der beiden wichtigen Konstruktionsmetalle. Redaktionsbüro Gerd Trommer Anzahl der Zeichen. Schweißen & Schneiden in September 2005. [59] Radaj, D. (1999) Schweissprozess-Simulation Grundlagen und Anwendungen. Fachbuchreihe Schweisstechnik, DVS Verlag, 1999.
Tài liệu tham khảo tiếng Nga: [60] B. P. Рябов (1969) Сварка Плавлением Алюминия со Сталью. Издательство
“Наукова Думка” Киев – 1969. Tài liệu tham khảo từ nguồn Internet: [61] Http://vnexpress.net/tin-tuc/oto-xe-may/tu-van/honda-su-dung-cong-nghe-han-moi- tren-accord-2013-2242669.html
[62] Jergen Bruckner (2005) Cold Metal Transfer Has a Future Joining Steel to Aluminum. http://www.aws.org/w/a/wj/2005/06/038/index.html
[63] HM Wire International, Inc. (2010) Aluminum 1100-0. © www.hmwire.com
109
2. Vu Dinh Toai (2013) Determine the optimal geometries of the welded Aluminum – Steel T-joint by the Numerical Simulation. Journal of Science & Technology, Technical Universities, No.94/2013.
3. ThS. Vũ Đình Toại, PGS. Nguyễn Thúc Hà, ThS. Vũ Văn Ba (2013) Nghiên cứu mô phỏng trường nhiệt độ hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T bằng phần mềm Sysweld. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số tháng 11/2013.
4. ThS. Vũ Đình Toại, PGS. Nguyễn Thúc Hà (2013) Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số tháng 11/2013.
5. Vũ Đình Toại, Nguyễn Thúc Hà (2014) Nghiên cứu mô phỏng quá trình hàn hồ quang thép đóng tàu bằng phần mềm Sysweld. Tạp chí Khoa học & Công nghệ, Các trường Đại học Kỹ thuật, số 98/2014.
110
