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

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH TOẠI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH TOẠI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Hoàng Tùng 2. PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà HÀ NỘI - 2014
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác! Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014 Người cam đoan Vũ Đình Toại TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Hoàng Tùng PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà i
4. 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
5. MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU 1 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP 5 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 5 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6 1.3. Kết luận chương 1 17 2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 18 2.1. Mục đích 18 2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG 18 2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG 18 2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100 18 2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm 21 2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG 21 2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG 23 2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38 23 2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG 23 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 24 2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại 24 2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn 26 2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm - thép 28 2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết 32 hàn hybrid nhôm - thép 2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại 32 2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn 32 2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn 33 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 38 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T 40 3.1. Mục đích 40 3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 40 3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn 40 3.2.2. Xây dựng ma trận dòng nhiệt 41 3.2.3. Xây dựng ma trận kết cấu 42 3.2.4. Thiết lập bài toán đa trường nhiệt - kết cấu 44 3.3. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T bằng phương pháp số 45 3.3.1. Thiết kế liên kết hàn hybrid nhôm - thép bằng kỹ thuật tính toán tối ưu 45 3.3.1.1. Bài toán tối ưu trong thiết kế kết cấu 45 3.3.1.2. Mô hình liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 49 3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 51 3.3.2.1. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T iii
6. ở phương án thiết kế sơ bộ 51 3.3.2.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 52 3.4. Xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T bằng mô phỏng số 56 3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm - thép dạng chữ T 56 3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG 56 3.4.1.2. Mô hình các thuộc tính của vật liệu 57 3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng 59 3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 62 3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trong tiết diện ngang của liên kết hàn 62 3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 63 3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng 66 3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng hình thành liên kết hàn 69 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 69 3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán hiệu quả 70 3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn 72 3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 72 3.5. Kết luận chương 3 74 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T 75 4.1. Mục đích 75 4.2. Trang thiết bị thí nghiệm 75 4.2.1. Thiết bị hàn 75 4.2.2. Đồ gá hàn 76 4.2.3. Các trang thiết bị phụ trợ 77 4.3. Mẫu thí nghiệm 78 4.3.1. Vật liệu mẫu hàn và dây hàn 78 4.3.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 78 4.4. Xây dựng thí nghiệm 79 4.4.1. Sơ đồ gá kẹp mẫu thí nghiệm 79 4.4.2. Các chế độ và quy trình thí nghiệm 79 4.5. Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 81 4.5.1. Thử kéo và bẻ liên kết hàn 81 4.5.2. Các trang thiết bị dùng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàn 83 4.6. Kết luận chương 4 85 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 86 5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết 86 5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 88 5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid iv
7. nhôm - thép dạng chữ T 88 5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 90 5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 92 5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 92 5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 92 5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 93 5.7. Độ cứng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 94 5.7.1. Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC 94 5.7.2. Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC 95 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 95 EDS 5.8.1. Cấu trúc siêu tế vi dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 95 5.8.2. Phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật EDS 97 5.9. Nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại trong liên kết hàn nhôm - thép bằng phổ tán sắc năng lượng tia X 98 5.9.1. Khuếch tán kim loại tại vùng không chứa lớp IMC 98 5.9.2. Khuếch tán kim loại tại vùng có lớp IMC 101 5.10. Kết luận chương 5 104 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 110 v
8. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu / Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt  [J] Lượng nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích q q [J] Dòng nhiệt truyền qua bề mặt đang xét Ma trận nhiệt dung riêng của phần tử Ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử Ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử Ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử Véc tơ lưu lượng nhiệt của phần tử Véc tơ dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử Véc tơ tải trọng sinh nhiệt của phần tử Ma trận khối lượng của phần tử Ma trận độ cứng của phần tử 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 γ [kg/m3] Khối lượng riêng của vật chất δ Ký hiệu vi phân α [μm/(m.°C)] Hệ số dãn nở nhiệt ν Hệ số poisson η [%] Hiệu suất của quá trình hàn φ(j) Trọng số liên quan đến phương án thiết kế thứ j δT Vi phân nhiệt độ [σ] [MPa] Ứng suất cho phép [∆l] [mm] Độ võng cho phép [B] Ma trận biến dạng - chuyển vị trên cơ sở của hàm hình dáng [K] Ma trận hệ số dẫn nhiệt vi
9. [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 {η} Véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt {ε} Véc tơ biến dạng tổng thể {σ} Véc tơ ứng suất {εel} Véc tơ biến dạng đàn hồi {εth} Véc tơ biến dạng nhiệt {δu}T Véc tơ vi phân chuyển vị {Fa} Véc tơ tải trọng {L} Véc tơ cột (gradient) {p} Véc tơ tải áp lực {q} Véc tơ dòng nhiệt {Te} Véc tơ nhiệt độ nút phần tử {u} 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 ac Bề mặt có trở kháng phân bổ af, ar, b, c Các thông số của mô hình nguồn nhiệt hàn ap Bề mặt mà trên đó tải áp lực đặt vào 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 d1, d2, d3, d4 Các hằng số được tính toán nội bộ trong thuật toán tối ưu 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
10. E [MPa] Mô đun đàn hồi E0 [Kcal] Năng lượng cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật 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) ER và EL [Kcal] Năng lượng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng ES [Kcal] Năng lượng lớp bề mặt F(x,pk) Hàm số của các biến thiết kế FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) Gi(x) Hàm điều kiện giới hạn trên HAZ / Vùng ảnh hưởng nhiệt VAHN hf Hệ số đối lưu nhiệt Hj(x) Hàm điều kiện giới hạn dưới Hybrid Lai ghép Ih [A] Dòng điện hàn 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 Kxx, Kyy, Kzz [W/(m.K)] Hệ số dẫn nhiệt lần lượt theo các hướng x, y và z 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 nd Số lượng các phương án thiết kế hiện thời ns Số lần tính lặp đi lặp lại Ns Số lượng tối đa của lần tính lặp đi lặp lại nsi Số phương án thiết kế không khả thi liên tiếp Nsi Số lượng tối đa của phương án thiết kế không khả thi liên viii
11. tiếp P [W] Công suất nhiệt hiệu dụng pk Số lượng của tham số PTHH Phần tử hữu hạn PWHT Xử lý nhiệt sau khi hàn (Post Weld Heat Treatment) q [J/mm] Năng lượng đường 3 Qf [W/mm ] Mật độ nguồn nhiệt hàn phía trước 3 Qr [W/mm ] Mật độ nguồn nhiệt hàn phía sau 3 QR [W/mm ] Hàm mật độ nguồn nhiệt Rong [mm] Chiều rộng biên dầm SAW Hàn hồ quang dưới lớp thuốc SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) Seqv Ứng suất tương đương (Equivalent Stress) T [oC] Nhiệt độ t [s] Biến thời gian o TB [ C] Nhiệt độ của môi trường TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TIG Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ U [J] Công khả dĩ Uh [V] Điện áp hàn Umax [mm] Độ võng cực đại V [J] Công do ngoại lực tác động 3 Ve [mm ] Thể tích của phần tử hữu hạn Vh [mm/s] Vận tốc hàn Wk(x) Hàm điều kiện giới hạn cả cận trên và cận dưới wn Pháp tuyến động của bề mặt phần tử x Véc tơ biến thiết kế X Hàm phạt x(b) Hằng số phương án thiết kế tốt nhất YS [MPa] Giới hạn chảy αi, βj, γk Các sai số cho phép của các hàm điều kiện ε Số dương rất nhỏ ρi Biến thiết kế ix
12. τ Dung sai của hàm mục tiêu τ0 [s] Thời gian ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) τR [s] Thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng) x
13. DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm AA1100 19 Bảng 2.2 Cơ tính của nhôm AA1100 19 Bảng 2.3 Chọn cỡ chụp khí theo đường kính điện cực vonfram 22 Bảng 2.4 Thành phần hóa học của thép CCT38 23 Bảng 2.5 Cơ tính của thép CCT38 23 Bảng 2.6 Độ cứng tế vi của các pha liên kim giữa Fe và Al 32 Bảng 2.7 Ký hiệu của các hợp chất liên kim 3 nguyên hệ Al-Fe-Si 35 Bảng 2.8 Dây hàn TIG nhôm phù hợp tương ứng với KLCB 37 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 49 Bảng 3.2 Các kích thước của liên kết hàn chữ T trong phương án thiết kế sơ bộ và tải trọng 49 Bảng 3.3 So sánh các kích thước của kết cấu giữa phương án sơ bộ và phương án tối ưu 54 Bảng 3.4 So sánh kích thước của kết cấu ban đầu và của phương án được chọn 55 Bảng 3.5 Ký hiệu quy ước của các tổ chức kim loại khi hàn 57 Bảng 3.6 Mô tả các nút cần khảo sát 67 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của máy hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC 75 Bảng 4.2 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng 77 Bảng 4.3 Các chế độ thí nghiệm hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm 80 Bảng 4.4 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn 83 Bảng 5.1 Kết quả thử kéo 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T 91 Bảng 5.2 Kết quả thử bẻ 5 mẫu hàn hybrid nhôm – thép chữ T 92 Bảng 5.3 Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC 95 Bảng 5.4 Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC 95 xi
14. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 0.1 Dự án SuperLightCar với nhiều loại vật liệu 1 Hình 0.2 Sơ đồ kết cấu của tàu tuần tra cao tốc vỏ nhôm 2 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 Hình 1.2 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng năng lượng nổ 7 Hình 1.3 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng ma sát ngoáy 8 Hình 1.4 Hàn liên kết giáp mối dạng thanh, ống nhôm-thép bằng ma sát quay 9 Hình 1.5 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Xung từ 10 Hình 1.6 Hàn điểm liên kết chồng nhôm-thép có sử dụng vật liệu trung gian 11 Hình 1.7 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Laser 12 Hình 1.8 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng hàn tổ hợp Laser+MIG 13 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 Hình 2.2 Đặc điểm khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện 19 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 21 Hình 2.5 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn 27 Hình 2.6 Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim loại 27 Hình 2.7 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại 27 Hình 2.8 Sơ đồ khuếch tán nguyên tử và tiết pha mới tại vùng biên giới thép CCT38 - KLMH 29 Hình 2.9 Hệ số khuếch tán vào nhôm của một số kim loại 29 Hình 2.10 Khả năng hòa tan vào nhôm của một số kim loại 30 Hình 2.11 Cấu trúc mạng tinh thể của liên kim AlFe3 và ôxit nhôm 30 Hình 2.12 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Al 31 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 Hình 2.14 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Al-Si 34 Hình 2.15 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Si 35 Hình 2.16 Giản đồ trạng thái của hệ Al-Fe-Si tại nhiệt độ 600oC 36 Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán tính tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép 48 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 50 Hình 3.4 Ứng suất tương đương σe trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án sơ bộ 51 Hình 3.5 Độ võng Uy của liên kết hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án sơ bộ 52 Hình 3.6 Các phương án thiết kế và xác định phương án tối ưu 53 xii
15. Hình 3.7 So sánh phương án sơ bộ ban đầu a) và phương án tối ưu b) 54 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 55 Hình 3.10 Kiểm tra độ võng Uy của phương án lựa chọn cuối cùng 56 Hình 3.11 Mô hình nguồn nhiệt hàn MMA/TIG/MIG/MAG 57 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 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 59 Hình 3.19 Quỹ đạo đường hàn và đường dẫn trên liên kết hàn hybrid nhôm-thép chữ T 60 Hình 3.20 Sử dụng các kỹ thuật "khởi động nóng" và "giảm dòng hàn" 60 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 61 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 63 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 65 Hình 3.28 Vị trí của các nút cần phải kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn 66 Hình 3.29 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3mm/s 67 Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3,5mm/s 68 Hình 3.31 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=4mm/s 69 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 71 Hình 3.34 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn (tại nút 2124 nằm trong mối hàn) 72 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 73 Hình 3.36 Biến dạng sau khi hàn 1 phía liên kết hybrid nhôm – thép chữ T với năng xiii
16. lượng đường q = 680 J/mm 73 Hình 4.1 Thiết bị hàn MasterTIG 2500 xung AC/DC của hãng Kemppi – Phần Lan 75 Hình 4.2 Đồ gá hàn đa năng và xe hàn tự hành 76 Hình 4.3 Các mẫu phôi thí nghiệm 78 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 80 Hình 4.6 Các sơ đồ thử kéo và thử bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T 81 Hình 4.7 Chuẩn bị các mẫu để thử kéo và bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T 82 Hình 4.8 Đồ gá mẫu thử kéo liên kết hàn chữ T và lắp ráp trên máy kéo – nén vạn năng CNC 82 Hình 4.9 Bẻ liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T 83 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 89 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 90 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 91 Hình 5.6 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm 92 Hình 5.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 93 Hình 5.8 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 94 Hình 5.9 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết không có lớp IMC (x500) 95 Hình 5.10 Độ cứng tế vi tại vùng liên kết có lớp IMC (x500) 95 Hình 5.11 Cấu trúc siêu tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 96 Hình 5.12 Phân tích thành phần kim loại trong lớp IMC 97 Hình 5.13 Phân tích thành phần nguyên tố trong lớp ôxit sắt 98 Hình 5.14 Phổ phân bố các nguyên tố trong vùng liên kết không chứa lớp IMC 99 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 chứa lớp IMC 101 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
17. MỞ ĐẦU Hiện nay, xu hướng giảm trọng lượng của các thiết bị, phương tiện giao thông vận tải đã trở nên rất cấp bách nhằm các mục đích: tăng tốc độ và hiệu quả vận hành, giảm mức tiêu hao nhiên liệu sử dụng, giảm ô nhiễm môi trường, Trong đó, việc nghiên cứu chế tạo các kết cấu khung, vỏ của các phương tiện vận tải bằng hợp kim nhẹ (nhôm, magiê, titan và hợp kim của chúng) hoặc bằng các vật liệu composite, chất dẻo, đã được triển khai mạnh mẽ trong các ngành chế tạo ôtô, tàu hỏa, máy bay, tàu thủy và cả tàu ngầm. Điển hình là quá trình chế tạo các loại tàu cao tốc có 1 hoặc nhiều thân, chở nặng, chịu được sóng to, chiều dài 35 – 45 m, đặc biệt là chạy nhanh với tốc độ 40 – 75 km/h. Chúng thường được chế tạo từ hợp kim Al-Mg có độ bền cao, sử dụng công nghệ hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (MIG hoặc TIG). So với tàu thép, chúng có thể tiết kiệm từ 40 – 50 % khối lượng [1]. Đồng hành với những thay đổi về nhu cầu sử dụng các vật liệu nhẹ kể trên, các công nghệ chế tạo cũng đòi hỏi phải có những nghiên cứu phát triển thỏa đáng để đáp ứng được các yêu cầu mới của quá trình sản xuất. Trong số đó, công nghệ hàn cũng cần phải được đầu tư nghiên cứu phát triển để có thể chế tạo được các kết cấu nhẹ từ các vật liệu kể trên nhằm đáp ứng các nhu cầu của công nghiệp và đời sống. Tuy nhiên, theo một số tài liệu đã công bố [1, 11, 56, 12], việc thay thế kết cấu hoàn toàn bằng vật liệu nhẹ đôi khi lại không đáp ứng được các yêu cầu sử dụng khác của phương tiện (do độ bền chịu tải của kim loại nhẹ thường không cao). Do vậy mà người ta chỉ tập trung vào thay thế vật liệu nhẹ cho những kết cấu/bộ phận không chịu lực hoặc chịu lực nhỏ, còn với các kết cấu chịu lực lớn, chịu lực chủ yếu thì vẫn phải sử dụng thép hoặc hợp kim có độ bền cao (hình 0.1). Ngoài khai thác các ưu điểm về trọng lượng, người ta còn có thể kết hợp khai thác các đặc tính đặc biệt khác của vật liệu nhẹ như khả năng chịu ăn mòn trong một số môi trường, tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, không bị nhiễm từ, để chế tạo thiết bị trong các ngành nhiệt - lạnh, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, Hình 0.1 Dự án SuperLightCar với nhiều loại vật liệu (nguồn: [13]) Từ đây, một yêu cầu mới được đặt ra là phải nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để có thể hàn hai loại vật liệu khác nhau với nhau. Cụ thể đối với tàu cao tốc trọng tải tương đối lớn thì khung vẫn phải sử dụng thép, còn vỏ tàu có thể được thay thế bằng hợp kim nhôm và việc hàn nhôm (vỏ tàu) với dàn khung thép ở dạng liên kết chữ T (hình 0.2) là một vấn đề mới được đặt ra, cần phải được nghiên cứu giải quyết. Cũng xuất phát từ đó mà ý tưởng nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích hợp để thực hiện hàn nhôm với thép ở dạng liên kết chữ T được hình thành và triển khai trong đề tài “Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG”. Đây là một đề tài mới và rất khó của ngành cơ khí chế tạo, do hàn hai vật liệu rất khác biệt về cấu trúc, chủng loại và tính chất nên sẽ đối mặt với rất nhiều thử thách về kỹ thuật & 1
18. công nghệ, nhưng nghiên cứu thành công sẽ có rất nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. Hình 0.2 Sơ đồ kết cấu của tàu tuần tra cao tốc vỏ nhôm (nguồn: [12]) • Mục đích của luận án: - Mục đích chính của luận án này là nghiên cứu tìm ra các giải pháp kỹ thuật & chế độ công nghệ hàn thích hợp để có thể hàn được hai tấm nhôm AA1100 và thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T, hàn kín cả hai phía bằng quá trình hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (TIG). - Mục đích thứ hai của luận án là chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng quá trình hàn TIG để hàn nhôm với thép ở dạng tấm dày, không sử dụng thuốc hàn hay vật liệu trung gian, qua đó nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng của quá trình hàn TIG trong thực tế sản xuất. • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Đối tượng nghiên cứu: luận án này nghiên cứu thực hiện hàn liên kết nhôm – thép trên hình 0.3 bằng quá trình hàn TIG. Đây là liên kết hàn dạng chữ T, được làm từ 2 loại vật liệu khác nhau hoàn toàn về cấu trúc, chủng loại và tính chất. Tấm đứng (vách) được làm từ thép cacbon thấp CCT38, còn tấm nằm ngang phía dưới (biên) được làm từ nhôm AA1100. Mối hàn được thực hiện sẽ là mối hàn lai ghép (hybrid), theo cách: liên kết giữa kim loại mối hàn (KLMH) với tấm biên (nhôm AA1100) ở dạng hàn nóng chảy (theo cơ chế hòa tan - kết tinh), còn liên kết giữa KLMH với tấm vách (thép CCT38) ở dạng hàn vảy (vật liệu tấm vách không bị nóng chảy, liên kết hoàn toàn theo cơ chế khuếch tán - kết tủa). Để cho dễ hiểu, từ đây về sau ta gọi liên kết hàn trên hình 0.3 là liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T. Hình 0.3 Liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Yêu cầu đặt ra là cả hai phía “hàn nóng chảy” và “hàn vảy” nêu trên phải được thực hiện đồng thời trong cùng một quá trình hàn, tại cùng một thời điểm. Để thực hiện được điều này, đòi hỏi chúng ta phải khống chế chặt chẽ, chính xác và tinh tế chế độ nhiệt hàn, nhằm đảm bảo sao cho ở phía tiếp giáp với tấm biên nhiệt độ phải đạt tới nhiệt độ nóng 2
19. 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
20. - 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
21. 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP Chủ đề hàn nhôm với thép đã được đề cập từ khá lâu, đã có khá nhiều tác giả nghiên cứu, song cho đến nay nó vẫn còn là một vấn đề mang tính thời sự do các kết quả nghiên cứu vẫn chưa đạt được sự mỹ mãn so với các yêu cầu ngày càng cao và đa dạng của công nghiệp và đời sống. Để tránh việc nghiên cứu bị trùng lặp nhằm bảo đảm tính mới mẻ, phần tổng quan dưới đây sẽ đi sâu vào việc phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước đã có cho đến nay về vấn đề hàn nhôm với thép, qua đó sẽ cho thấy những thành tựu khoa học đã đạt được cũng như những vấn đề còn hạn chế, tồn tại cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước: Trong lĩnh vực chế tạo: Việc nghiên cứu chế tạo xuồng nhôm và tàu nhôm cỡ nhỏ đã được triển khai cách đây một số năm tại một số Công ty đóng tàu thuộc Bộ Quốc phòng, tuy nhiên do là vật liệu hoàn toàn bằng nhôm nên chỉ đóng được tàu/xuồng cỡ nhỏ có tải trọng thấp và tốc độ vận hành thấp, chưa đáp ứng được hết các yêu cầu của tàu cao tốc phục vụ công tác tuần tra, cứu hộ trên biển ở khoảng cách xa bờ (chịu lực lớn, tốc độ cao, có thể được trang bị cả vũ khí, khí tài quân sự). Vài năm gần đây, cũng tại một số Công ty đóng tàu của Quân đội (Công ty đóng tàu 189, Công ty đóng tàu Hồng Hà, ) đã tiến hành chế tạo các loại tàu cao tốc vỏ nhôm với tải trọng lớn hơn, tuy nhiên việc hàn trực tiếp nhôm với thép vẫn chưa được triển khai. Để chế tạo các liên kết nhôm – thép dạng chữ T, người ta phải nhập từ nước ngoài các dải vật liệu trung gian 2 lớp: nhôm - thép (Bimetal) hoặc 3 lớp: hợp kim nhôm - nhôm - thép (Trimetal) – được chế tạo bằng quá trình hàn nổ, sau đó tiến hành hàn nhôm với nhôm và thép với thép như cách làm thông thường (hình 1.1). Hình 1.1 Liên kết hàn nhôm – thép dạng chữ T có sử dụng dải vật liệu trung gian 3 lớp. Cách làm này tuy có bảo đảm được chất lượng và độ tin cậy yêu cầu, nhưng làm phức tạp cho kết cấu, tốn nhiều chi phí và thời gian chế tạo do số mối hàn tăng gấp đôi, phải gia công nhiều và đặc biệt là mất chi phí và thời gian nhập khẩu các dải vật liệu trung gian. Trong lĩnh vực nghiên cứu: Việc nghiên cứu công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại và khác nhóm cấu trúc chưa được quan tâm và thực hiện nhiều ở Việt Nam, trong khi khả năng ứng dụng của chúng là rất lớn và đa dạng. Tác giả Hà Minh Hùng (Viện Nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương) và các cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu hàn nhôm với thép bằng năng lượng thuốc nổ ở quy mô phòng thí nghiệm và đã đạt được nhiều tiến bộ về chất lượng mối ghép [2, 3], tuy nhiên phương pháp hàn nổ mà các tác giả thực hiện chỉ là để tạo ra các ống, thanh và tấm vật liệu bimetal hoặc trimetal (liên kết chồng) chứ không thuộc phạm vi trực tiếp chế tạo kết cấu hàn như đề tài luận án này đề cập. 5
22. 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
23. Hình 1.2 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng năng lượng nổ (nguồn: [14]) * 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
24. Hình 1.3 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng ma sát ngoáy (nguồn: [4]) 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
25. 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]. Hình 1.4 Hàn liên kết giáp mối dạng thanh, ống nhôm-thép bằng ma sát quay (nguồn: [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
26. 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. Hình 1.5 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Xung từ (nguồn: [20]) 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
27. Hình 1.6 Hàn điểm liên kết chồng nhôm-thép có sử dụng vật liệu trung gian (nguồn: [25]) 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
28. Hình 1.7 Hàn liên kết chồng nhôm-thép bằng Laser (nguồn: [28] ) 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
29. Hình 1.8 Hàn liên kết giáp mối nhôm-thép bằng hàn tổ hợp Laser+MIG (nguồn: [57]) 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
30. Hình 1.9 Nguyên lý hàn MIG và liên kết chồng nhôm-thép thực hiện bằng hàn MIG (nguồn: [34]) 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
31. 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). Hình 1.10 Nguyên lý hàn TIG & liên kết nhôm-thép thực hiện bằng hàn TIG (nguồn: [35]) 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
32. 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
33. 1.3. Kết luận chương 1: 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
34. 2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 2.1. Mục đích 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
35. Hình 2.1 Phân loại nhôm và hợp kim nhôm theo các nguyên tố hợp kim chủ yếu (nguồn: [43]) Vật liệu nhôm nghiên cứu trong luận án này là loại AA1100, tương đương với mác Al99 theo TCVN 1659 : 1975, cũng được ghép vào nhóm hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện được [5]. Thành phần hóa học của nhôm AA1100 được cho trong bảng 2.1 dưới đây. Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm AA1100 (nguồn: [44]) Vật liệu cơ bản %Si %Fe %Cu %Mn %Zn %Khác %Al AA1100 0,95 (Si + Fe) 0,05-0,2 0,05 0,1 0,15 99 Cơ tính của nhôm AA1100 được cho trong bảng 2.2 dưới đây: Bảng 2.2 Cơ tính của nhôm AA1100 (nguồn: [44]) Trạng thái Độ bền kéo [MPa] Giới hạn chảy [MPa] Độ giãn dài tương đối [%] Ủ 89,6 35 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. Hình 2.2 Đặc điểm khi hàn nhôm 1xxx và hợp kim nhôm không thể nhiệt luyện (nguồn: [45]) Theo tài liệu [1], mọi loại nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa già đều được sử dụng ở trạng thái ủ, vì vậy chu trình nhiệt hàn không làm giảm độ bền của vùng ảnh hưởng nhiệt. Nhìn chung, nhôm và hợp kim nhôm là một trong những vật liệu khó hàn hơn so với thép. Khi hàn nhôm, chúng ta sẽ gặp phải những vấn đề sau đây [1]: 19
36. o o 1. Khi hàn, dễ xuất hiện ôxit Al2O3 (có nhiệt độ nóng chảy 2050 C so với 660 C 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. Hình 2.3 Khả năng hòa tan của Hydro trong nhôm nguyên chất (nguồn: [46]) 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
37. 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. Hình 2.4 Độ nhạy cảm nứt của kim loại mối hàn theo loại và hàm lượng của các nguyên tố hợp 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
38. 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]. 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]) d [mm] 2-3 4 5 6 D [mm] 10-12 12-16 14-18 16-22 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
39. 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]) Vật liệu cơ bản %C %Si %Mn %P (max) %S (max) CCT38 0,14 – 0,22 0,12 – 0,30 0,40 – 0,65 0,04 0,045 Bảng 2.5 Cơ tính của thép CCT38 (nguồn: [6]) Vật liệu cơ bản Độ bền kéo Giới hạn chảy min Độ giãn dài tương đối [MPa] [MPa] [%] CCT38 380 - 490 250 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
40. 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
41. • 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: ( ) = exp (2.1) e ER+EL Trong đó: τR τ0 � 2kT � 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
42. 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
43. Hình 2.5 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn (nguồn: [7]) Quá trình khuếch tán trong kim loại là ngẫu nhiên, tuy nhiên các loại vật liệu có “ái lực hóa học“ với nhau lớn sẽ có xu hướng tích tụ lại gần nhau để hình thành một dạng liên kết hóa học bền vững và quá trình này gọi là quá trình kết tủa hay tiết pha [8]. Trên hình 2.6 mô tả các giai đoạn của quá trình tiết pha mới trong kim loại. Hình 2.6 Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim loại (nguồn: [9]) Quá trình tiết pha mới chỉ hoàn thiện khi mà nguyên tử chất tan khuếch tán vào trong nguyên tử nền ở một lượng đủ lớn (vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa của nguyên tử đó trong nền) và tích tụ tại vị trí kết tủa với một tỷ lệ phù hợp để hình thành các hợp chất hóa học bền vững. Trong trường hợp lượng nguyên tử khuếch tán vào nền chưa đạt đến giới hạn hòa tan bão hòa thì kết quả nhận được chỉ là dung dịch đặc mà không hình thành các pha mới. 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. Hình 2.7 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại (nguồn: [9]) Không chỉ có đúc và nhiệt luyện, quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới còn thường xuyên xảy ra trong quá trình hàn. Kết quả khuếch tán và tiết pha trong quá trình 27
44. 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