Tài liệu Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn tig (tt)

  • Số trang: 27 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 204 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15893 tài liệu

Mô tả:

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Hoàng Tùng 2. PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà Phản biện 1: ……………………………………………….. Phản biện 2: ……………………………………………….. Phản biện 3: ……………………………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia A. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LUẬN ÁN • Lý do chọn đề tài: Xu hướng giảm trọng lượng của các thiết bị, phương tiện giao thông vận tải bằng việc sử dụng vật liệu nhẹ đã trở nên rất cấp bách nhằm các mục đích: tăng tốc độ và hiệu quả vận hành, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường,… Ngoài khai thác 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,… để chế tạo thiết bị trong các ngành nhiệt lạnh, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm,... Tuy nhiên, việc thay thế kết cấu hoàn toàn bằng vật liệu nhẹ đôi khi lại không đáp ứng được các yêu cầu sử dụng khác, do vậy mà người ta chỉ tập trung vào thay thế vật liệu nhẹ cho những chi tiết chịu lực nhỏ, còn các chi tiết chịu lực lớn thì vẫn phải sử dụng thép hoặc hợp kim có độ bền cao. Từ đây, một yêu cầu mới được đặt ra là phải nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật để có thể hàn các vật liệu khác chủng loại với nhau. Do đó mà ý tưởng nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích hợp để hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 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, sẽ đối mặt với rất nhiều thử thách về kỹ thuật & công nghệ, nhưng nghiên cứu thành công sẽ có rất nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. • Mục đích của luận án: - Mục đích chính của luận án là nghiên cứu tìm ra các giải pháp kỹ thuật & 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 TIG. - Mục đích thứ hai 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. • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu 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 CCT38, còn tấm phía dưới (biên) được làm từ nhôm AA1100. 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 - Phạm vi nghiên cứu: Do sự đa dạng của vật liệu và tính phức tạp của vấn đề nghiên cứu, luận án này được giới hạn nghiên cứu trên cặp vật liệu nhôm AA1100 với thép ~1~ CCT38. Quy mô nghiên cứu của luận án được xác định trong phạm vi phòng thí nghiệm. • Phương pháp nghiên cứu: 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, 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. - Nghiên cứu kỹ về các ứng xử của kim loại cơ bản trong quá trình hàn và công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, qua đó đề ra các giải pháp kỹ thuật & công nghệ thích hợp nhằm thực hiện hàn thành công liên kết 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. - 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: - Hệ thống hóa và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại để xác định và làm rõ về cơ chế, điều kiện và khả năng hình thành liên kết hàn 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 TIG. - Xác định được ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến khả năng hình thành liên kết hàn nhôm – thép để 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 nhôm - thép, 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. - 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 kín cả hai phía, không sử dụng vật liệu trung gian, góp phần tự chủ khoa học công nghệ mà không phụ thuộc vào bí quyết của nước ngoài. - Mở ra một hướng mới trong đào tạo, nghiên cứu 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 – 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 chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt. Cũng có thể ứng dụng trong một số ngành công nghiệp khác như: chế tạo máy, chế biến dầu khí, hóa chất và dược ~2~ phẩm, 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 để từ đó đánh giá được khả năng hình thành liên kết hàn và dự báo các khuyết tật. 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 nhôm - thép, 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 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 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. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước: Trong lĩnh vực chế tạo: Tại các Công ty đóng tàu thuộc Bộ Quốc phòng, để chế tạo các liên kết nhôm – thép dạng chữ T, người ta phải nhập từ nước ngoài các dải vật liệu trung gian 3 lớp: hợp kim nhôm - nhôm - thép (Trimetal) sau đó tiến hành hàn nhôm với nhôm và thép với thép như cách làm thông thường (hình 1.1 trong luận án). Trong lĩnh vực nghiên cứu: Cho đến nay, ở Việt Nam chưa có tác giả nào nghiên cứu công nghệ hàn hồ quang (TIG) để hàn nhôm với thép. 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài: Để có bức tranh tổng quát về khả năng hàn nhôm với thép, tác giả đã tìm hiểu tất cả các quá trình hàn có thể thực hiện được việc hàn nhôm với thép cùng với những nghiên cứu tiêu biểu; đã rút ra các đặc điểm của chúng và 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: ~3~ Các kết quả nghiên cứu trong các tài liệu [2, 3, 4, 14, 15] 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 luận án đã trình bày đầy đủ các ưu, nhược điểm của hàn nổ nhôm – thép và thấy rằng quá trình hàn này không thích hợp để chế tạo trực tiếp liên kết hàn nhôm – thép dạng chữ T như luận án đề cập. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Ma sát: 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, mà điển hình là các nghiên cứu trong các tài liệu [4, 16, 17, 18, 19]. Các ưu, nhược điểm cơ bản của quá trình hàn ma sát đã được phân tích kỹ trong bản luận án và thấy rằng quá trình hàn này không thích hợp cho chế tạo trực tiếp liên kết nhôm – thép dạng chữ T như luận án đề cập. • 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. Bản luận án đã trình bày đầy đủ các ưu, nhược điểm của hàn xung từ khi hàn nhôm với thép và thấy rằng quá trình hàn này không thích hợp cho chế tạo liên kết nhôm – thép dạng chữ T như luận án đề cập. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn điện tiếp xúc điểm điện trở: Theo các tài liệu [25, 26, 27], quá trình hàn điểm điện trở cũng có thể được điều chỉnh để hàn nhôm với thép. Các ưu, nhược điểm cơ bản của quá trình hàn điểm điện trở đã được phân tích kỹ trong bản luận án và thấy rằng quá trình hàn này không thích hợp cho việc chế tạo liên kết nhôm – thép dạng chữ T như luận án đề cập. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Laser: Các ưu, nhược điểm của hàn Laser khi hàn nhôm với thép đã được trình bày đầy đủ trong luận án (theo các tài liệu [4, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 57]) và thấy rằng quá trình hàn này thích hợp để chế tạo liên kết nhôm – thép dạng chữ T như luận án đề cập, nhưng do điều kiện nghiên cứu không có thiết bị nên quá trình hàn này cũng không được lựa chọn để nghiên cứu trong phạm vi của luận án này. • Hàn nhôm với thép bằng quá trình Hàn Hồ quang: Trong luận án đã đi sâu phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu tiêu biểu về hàn nhôm với thép bằng hồ quang điện, qua đó đã tìm ra những vấn đề còn tồn tại, cần tập trung giải quyết. Ngoài ra còn có 2 phương pháp khác có thể tạo ra liên kết giữa nhôm và thép ở trạng thái rắn đó là các quá trình hàn khuếch tán (diffusion welding) và quá trình cán dính 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 này. 1.3. Kết luận chương 1: Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và các sản phẩm đa chủng loại vật liệu (multimaterials) ngày càng nhiều và đa dạng, do chúng có nhiều ưu điểm nổi bật, đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc tại từng vị trí cụ thể trong chi tiết. Đối với các thiết bị nhiệt – lạnh, tàu thủy 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. ~4~ 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. 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. Tuy nhiên, 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 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. 2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 2.1. Mục đích Chương này tiến hành tóm tắt các lý thuyết một cách cô đọng nhất về hàn nhôm với thép, từ đó rút ra các cơ sở khoa học quan trọng áp dụng trong quá trình thực nghiệm hàn liên kết hybrid nhôm – thép đạt được chất lượng. 2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG 2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG 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 6 vấn đề cố hữu (như đã trình bày kỹ trong luận án) và vấn đề nứt do không chọn đúng vật liệu hàn. Trong bản luận án này, tác giả đã trình bày khá chi tiết về tính hàn và công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG. 2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG Tính hàn và công nghệ hàn TIG thép CCT38 được trình bày kỹ trong luận án, trong đó khẳng định rằng thép CCT38 có tính hàn rất tốt đối với các quá trình hàn hồ quang. Tuy nhiên, điều đó chỉ đúng trong trường hợp hàn các vật liệu cùng chủng loại. Khi hàn thép với nhôm thì lại khác hẳn. Có rất nhiều vấn đề phức tạp phát sinh và các vấn đề này được nghiên cứu kỹ trong mục 2.3 của luận án. 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại 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, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 56, 57]. ~5~ Trong luận án đã nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm và các giai đoạn hình thành liên kết khi hàn các vật liệu khác chủng loại. 2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn Hai quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới là hai quá trình rất quan trọng khi hàn, quyết định đến việc hình thành các tổ chức của KLMH cũng như của vùng AHN, đặc biệt là khi hàn các vật liệu khác chủng loại. Hình 2.5 trong luận án mô tả 5 cơ chế khuếch tán trong kim loại ở trạng thái rắn. Quá trình khuếch tán là ngẫu nhiên, tuy nhiên các nguyên tố 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 (các hình 2.6 và 2.7 trong luận án). Chi tiết của các quá trình này được trình bày kỹ trong luận án. 2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép 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). Hình 2.8 Sơ đồ khuếch tán nguyên tử và tiết pha mới tại vùng biên giới thép CCT38 – KLMH Các quá trình thấm ướt của KLMH lên bề mặt tấm thép CCT38, khuếch tán kim loại và tiết pha liên kim IMC như thể hiện trên hình 2.8 ở trên đã diễn tả đầy đủ bản chất và cơ chế của quá trình hình thành liên kết kim loại giữa tấm thép và KLMH. Trong quá trình hàn nhôm với thép, nếu như lượng nguyên tử Fe (từ tấm thép CCT38) khuếch tán vào Al (KLMH) lớn hơn giới hạn hòa tan bão hòa (0,05%) kể ~6~ trên thì sẽ xảy ra quá trình tích tụ Fe và kết tủa tạo ra các pha mới (điển hình là các hợp chất liên kim FexAly rất cứng và giòn). Để nghiên cứu kỹ về khả năng hình thành các tổ chức kim loại và các pha liên kim khi hàn nhôm với thép, tác giả đã nghiên cứu giản đồ pha của hệ hợp kim Al-Fe như đã trình bày kỹ trong luận án. 2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép 2.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại: Tùy thuộc vào quá trình hàn cụ thể, nhiệt độ và thời gian là hai thông số quan trọng nhất quyết định đến khả năng khuếch tán của các nguyên tử kim loại vào nhau và qua đó hình thành kết tủa ra các pha liên kim bất lợi làm cho liên kết hàn bị giòn. Vì vậy, nếu các mối nối từ các vật liệu khác chủng loại yêu cầu có được độ bền và độ dai va đập cao thì việc hình thành các pha liên kim phải được khống chế ở một kích thước tối thiểu hoặc tốt nhất là không để hình thành các pha liên kim bất lợi đó, bằng cách giảm nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại thông qua việc giảm năng lượng đường và kích thước vũng nóng chảy. Nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại thích hợp khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG đối với liên kết dạng chữ T được đề cập nghiên cứu trong luận án này được xác định thông qua quá trình tính toán mô phỏng ở chương 3. 2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn: Khi hàn thép với nhôm ở trạng thái nóng chảy thì độ sạch bề mặt của tấm thép CCT38 có ý nghĩa rất quan trọng. Trong trường hợp này, việc tránh sự oxi hóa bề mặt có tác dụng làm giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho việc tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn [1]. Không chỉ yêu cầu cao về độ sạch bề mặt, để tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc nóng chảy cục bộ trên bề mặt của tấm thép nhằm làm giảm khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH thì độ nhấp nhô tế vi của bề mặt tấm thép cũng yêu cầu phải nhỏ (càng nhỏ càng tốt). 2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn: Tác giả Simaizumi trong tài liệu [36] và tác giả B. P. Рябов trong tài liệu [60] đã đưa ra được đồ thị ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim cũng như hàm lượng của chúng đến chiều dày của lớp IMC và độ bền kéo của liên kết hàn như mô tả trên hình 2.13 trong luận án. Khi sử dụng dây hàn hệ Al-Si sẽ cho chiều dày của lớp IMC nhỏ hơn so với hệ Al-Cu và hệ Al-Zn, qua đó cho độ bền của mối ghép cao hơn. Trong đó, dây hàn có hàm lượng 5%Si là tối ưu nhất vì cho chiều dày lớp IMC nhỏ nhất khi sử dụng cùng một năng lượng đường như nhau. Trong trường hợp chọn vật liệu hàn thuộc hệ Al-Si có chứa 5%Si, trong mối hàn và vùng biên giới nhôm – thép sẽ có sự tương tác giữa Al với Si và Fe với Si, vì vậy cần phải nghiên cứu giản đồ trạng thái của các hệ hợp kim Al-Si, Fe-Si và Al-Fe-Si. Chi tiết của các nghiên cứu này đã được trình bày kỹ trong luận án. 2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG Vật liệu hàn để hàn nhôm với thép trong trường hợp này phải đảm bảo đồng thời 2 nhiệm vụ đó là: tạo ra liên kết tốt với tấm nhôm AA1100 đồng thời cũng phải tạo ra được liên kết tốt với tấm thép CCT38. Theo các tài liệu [1, 46], các dây hàn TIG phù hợp để hàn nhôm AA1100 là ER1100 hoặc ER4043 đồng thời kế thừa các thành quả ~7~ nghiên cứu trong các tài liệu [36, 60], tác giả quyết định chọn dây hàn TIG để thực hiện trong luận án này là loại ER4043 với 5%Si. 2.4. Kết luận chương 2 Ở chương này, tác giả đã đi sâu vào tìm hiểu đầy đủ các đặc điểm, tính chất và tính hàn của các loại vật liệu cơ bản; nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm của hàn các vật liệu khác chủng loại nói chung và giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 nói riêng; đã đưa ra 1 giả thuyết khoa học nhằm phân tích và lý giải được bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép cũng như ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép, thông qua đó đã đề ra được các biện pháp kỹ thuật thích hợp sử dụng trong quá trình hàn thử nghiệm ở chương 4. Từ những nghiên cứu ở trên, có thể thấy rằn để hàn thành công nhôm với thép như đề tài luận án đề cập, cần phối hợp và thực hiện triệt để 3 nhóm giải pháp kỹ thuật sau đây: Giải pháp về vật liệu: Chọn vật liệu hàn có thành phần hợp kim cao, vượt ra ngoài vùng nhạy cảm với nứt (chọn dây hàn ER4043 thuộc hệ hợp kim Al-Si có chứa 5%Si). Giải pháp về kết cấu: Vát mép tấm thép ở góc độ phù hợp để tạo khả năng chảy loang tốt của KLMH lên trên bề mặt của tấm thép. Tạo độ nhẵn và sạch triệt để bề mặt tấm thép, trong quá trình hàn cần tránh hiện tượng ôxi hoá để nhằm mục đích giảm mức năng lượng hoạt hóa, cải thiện tính thấm ướt và tạo độ ổn định cho quá trình tiếp xúc giữa hai kim loại lỏng và rắn. Kẹp chặt chi tiết hàn bằng đồ gá và bảo đảm đúng kích thước khe hở hàn. Giải pháp về công nghệ: Sử dụng quá trình hàn ít hydro (TIG). Sử dụng hiệu ứng bắn phá catot bằng dòng hàn AC hoặc DC+. Làm sạch dầu mỡ bảo quản trên phôi, đặc biệt là làm sạch triệt để mép hàn khỏi các lớp gỉ, bụi bẩn,… bằng phương pháp cơ học (bàn chải có sợi thép không gỉ, giấy ráp). Sử dụng năng lượng đường thấp, khống chế vũng hàn nhỏ và hàn ở tốc độ cao. Ba nhóm giải pháp này sẽ là cơ sở khoa học quan trọng áp dụng trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm ở chương 4 nhằm tạo ra được liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đối tượng nghiên cứu đã nêu trong phần mở đầu. 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T 3.1. Mục đích Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 đã chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại là hai thông số cốt lõi quyết định đến quá trình hình thành liên kết hàn hybrid nhôm – thép, do vậy chương này sẽ tiến hành tính toán, mô phỏng quá trình hàn TIG liên kết hàn hybrid nhôm – thép đã nêu để đưa ra các dự báo trước về trường nhiệt, chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại,… đồng thời kết hợp với các kết quả nghiên cứu ở chương 2 sẽ tìm ra được dải chế độ công nghệ hàn phù hợp cho quá trình thực nghiệm ở chương 4. 3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu Trong phần này, tác giả đã tổng hợp đầy đủ các cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH, đã khai triển các phương trình vi tích phân thành dạng tích phân số để ứng dụng trong mô phỏng số quá trình hàn và tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn (chi tiết xem trong bản luận án). ~8~ 3.3. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T bằng phương pháp số 3.3.1. Thiết kế liên kết hàn hybrid nhôm – thép bằng kỹ thuật tính toán tối ưu Thuật toán và chương trình máy tính thiết kế tối ưu kết cấu hàn cũng như mô hình của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T được trình bày chi tiết trong luận án. 3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T Từ một phương án thiết kế sơ bộ thiếu bền, trong khi lại sử dụng nhiều vật liệu trên hình 3.4, chương trình tính toán thiết kế tối ưu do tác giả xây dựng sẽ tự động tính toán đưa ra các phương án thiết kế khác nhau như mô tả trên hình 3.6. Trong đó tự động đưa ra phương án thiết kế vừa đủ độ bền và tốn ít vật liệu nhất - phương án tối ưu (hình 3.9). Trong trường hợp này đã tiết kiệm được 39,49% thể tích vật liệu mà độ bền và độ võng vẫn bảo đảm nhỏ hơn giá trị cho phép (xem hình 3.6). Hình 3.4 Ứng suất tương đương σe trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T ở phương án sơ bộ Hình 3.6 Các phương án thiết kế và xác định phương án tối ưu ~9~ Hình 3.9 Kiểm tra điều kiện bền của phương án lựa chọn cuối cùng 3.4. Xác định chế độ công nghệ hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T bằng mô phỏng số 3.4.1. Mô hình hóa quá trình hàn TIG liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T Lần đầu tiên ở Việt Nam đã sử dụng phần mềm Sysweld bản quyền vào việc mô hình hóa quá trình hàn TIG cho liên kết lai ghép giữa hai vật liệu rất khác biệt về chủng loại là nhôm và thép. Việc xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Sysweld với đầy đủ các điều kiện biên, điều kiện đầu và điều kiện tải nhiệt được mô tả chi tiết trong luận án. 3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T 3.4.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến phân bố nhiệt độ trong tiết diện ngang của liên kết hàn: Kết quả tính toán với nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2100 W, vận tốc hàn Vh = 3 mm/s cho các trường hợp góc nghiêng mỏ hàn Ay khác nhau được thể hiện trên hình 3.24. Kết quả mô phỏng cho biết rằng: góc nghiêng mỏ hàn Ay càng lớn thì nhiệt có xu hướng truyền vào tấm vách (thép CCT38) nhiều hơn, như vậy tấm thép sẽ có nguy cơ bị quá nhiệt và khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe vào trong KLMH cũng sẽ lớn hơn. Điều này là không có lợi vì sẽ hình thành lớp IMC với chiều dày lớn, làm cho mối hàn bị nứt. Vì vậy, muốn lớp IMC mỏng hoặc thậm chí không kịp xuất hiện thì chúng ta nên sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ (hình 3.24c). Theo xu hướng này thì góc nghiêng mỏ hàn bằng 0o là tốt nhất, tuy nhiên lại bị vướng bởi kích thước chụp khí của mỏ hàn TIG, vì vậy trong thực tế thực nghiệm ta sẽ sử dụng góc nghiêng mỏ hàn nhỏ nhất có thể đối với đường kính cụ thể của từng chụp khí. Với trường hợp sử dụng chụp khí có đường kính 10 mm như đã trình bày ở chương 2 thì góc nghiêng mỏ hàn thích hợp nhất là 20o. Từ đây về sau ta sẽ chỉ tính toán và thực nghiệm với góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20o cho tất cả các trường hợp. ~ 10 ~ a) Ay=70o b) Ay=45o 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 Ay=20o 3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T: Áp dụng góc nghiêng mỏ hàn 20o như đã nêu, tiến hành tính toán mô phỏng cho trường hợp nguồn nhiệt hiệu dụng P = 2400 W, vận tốc hàn Vh = 3,5 mm/s (năng lượng đường q = 686 J/mm) ta được trường nhiệt độ phân bố tức thời khi nguồn nhiệt hàn di chuyển đều đến giữa mô hình (ở thang đo hẹp) như mô tả trên hình 3.25. c) 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) Kết quả cho thấy rằng các đường đẳng nhiệt thưa trên tấm nhôm và rất mau trên tấm thép. Vùng ảnh hưởng nhiệt trong tấm nhôm cũng sẽ lớn hơn trong tấm thép. ~ 11 ~ 3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng: Đồ thị chu trình nhiệt hàn tại các nút khảo sát ứng với chế độ hàn P = 2400W, Vh = 3,5 mm/s (q = 686 J/mm) được thể hiện trên hình 3.30. Trong trường hợp này, thời gian khuếch tán tối đa khoảng 7,5 giây đạt được cũng tại nút 2026. Nhiệt độ tại các nút 2527 và 1594 không vượt quá điểm nóng chảy của nhôm nên mối hàn không bị sụt chân. Nút 2620 vừa đạt tới nhiệt độ nóng chảy của nhôm nên bảo đảm khả năng ngấu mặt mối hàn. Tại vị trí chân mối hàn nhiệt độ cũng không quá lớn nên khả năng sụt chân không xảy ra. Toàn bộ bề mặt tấm thép bảo đảm không bị nóng chảy (nhiệt độ tối đa đạt khoảng 970oC). Như vậy chế độ hàn này đáp ứng được các yêu cầu. Hình 3.30 Chu trình nhiệt hàn tại các nút trên hình 3.28 trong chế độ hàn P=2400W, Vh=3,5mm/s 3.4.3. Kết quả tính toán ảnh hưởng của năng lượng đường đến khả năng hình thành liên kết hàn 3.4.3.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến nhiệt độ cực đại trong tiết diện ngang liên kết hàn hybrid nhôm – thép: Kết quả tính toán mô phỏng cho 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T nghiên cứu trong luận án được thể hiện trên hình 3.32 cho thấy rằng: khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải 680 – 720 J/mm thì nhận được liên kết hàn không bị sụt, ngấu cả chân lẫn mặt mối hàn và nhiệt độ trên bề mặt của tấm thép lớn nhất cũng chỉ là 820o, thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của thép CCT38 rất nhiều. Nghĩa là vùng năng lượng đường phù hợp để hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T chiều dày 5 mm là 680 – 720 J/mm. Vùng năng lượng đường này có thể coi là dải năng lượng đường tối ưu đối với liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm và sẽ được sử dụng trong quá trình thực nghiệm ở chương 4. ~ 12 ~ 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 5 mm 3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán hiệu quả: Kết quả tính toán thời gian khuếch tán hiệu quả (tại các nút trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép dạng chữ T với vật liệu và chiều dày đã đề cập) ứng với 13 trường hợp năng lượng đường khác nhau được trình bày trong hình 3.33. 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 Kết quả tính toán cho thấy: khi hàn với năng lượng đường nằm trong dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) thì thời gian khuếch tán hiệu quả tại các nút trên bề mặt của tấm thép dao động trong phạm vi từ 5,2 đến 6,7 giây – nghĩa là vẫn lớn hơn giai đoạn trễ (4 giây của cặp nhôm – thép [1]) do vậy khả năng hình thành lớp hợp chất IMC là không tránh khỏi. ~ 13 ~ 3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn: Thông qua kết quả tính toán mô phỏng chu trình nhiệt tại nút 2124 nằm trong tiết diện ngang của liên kết hàn, tại điểm giữa của mối hàn (nơi sẽ đông đặc sau cùng), chúng ta có thể xác định được thời gian đông đặc của mối hàn. Kết quả tính thời gian đông đặc của mối hàn ứng với 13 trường hợp sử dụng năng lượng đường khác nhau được thể hiện trong hình 3.34 trong luận án. 3.4.4. Phân bố ứng suất & biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Phần mềm Sysweld không chỉ tính toán được trường nhiệt độ và chu trình nhiệt tại các nút trên mô hình nghiên cứu, mà còn tính toán được cả trường phân bố ứng suất (do tác động đồng thời của nhiệt và thay đổi thể tích khi chuyển biến pha trong kim loại) cũng như biến dạng & quá trình biến đổi tổ chức kim loại trong mô hình nghiên cứu. Chi tiết về phân bố ứng suất và biến dạng hàn được trình bày trong luận án. 3.5. Kết luận chương 3 Ở chương này, tác giả đã ứng dụng thành công các lý thuyết về mô phỏng kết hợp với tính toán tối ưu thiết kế kết cấu hàn; sử dụng thành thạo các phần mềm tính toán mô phỏng chuyên nghiệp là ANSYS và Sysweld áp dụng để giải quyết các bài toán cụ thể và đặc trưng do yêu cầu của luận án đề ra. Tác giả đã xây dựng được chương trình thiết kế tối ưu liên kết hàn có thể sử dụng để tính toán cho các dạng liên kết bất kỳ và có thể mở rộng để tính toán cho các kết cấu lớn và phức tạp với nhiều loại vật liệu sử dụng. Từ một lựa chọn sơ bộ bất kỳ, chương trình máy tính do tác giả xây dựng sẽ tự động tìm ra được kích thước hợp lý nhất (có thể tích bé nhất) ứng với dạng cấu trúc và điều kiện chịu tải cụ thể của kết cấu, trong khi đảm bảo được khả năng làm việc. Thành tựu cơ bản và nổi bật của chương này là lần đầu tiên đã ứng dụng phần mềm Sysweld để tính toán mô phỏng bài toán phi truyền thống – đó là quá trình hàn TIG liên kết lai ghép giữa hai loại vật liệu rất khác biệt về chủng loại là nhôm AA1100 và thép CCT38 ở dạng chữ T. Tác giả đã tìm ra được góc nghiêng thích hợp (20o) của mỏ hàn đảm bảo cho tấm thép không bị quá nhiệt khi hàn hybrid như đã đề cập. Đã xác định được chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại trên bề mặt tấm thép khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép với các chế độ công nghệ hàn khác nhau. Đặc biệt là đã đề ra được giải pháp khoanh vùng và xác định chế độ công nghệ hàn một cách ít tốn kém nhất thông qua phương pháp tính toán mô phỏng số; trong đó, lần đầu tiên đã xác định được dải năng lượng đường tối ưu (680 – 720 J/mm) khi hàn liên kết hybrid giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 ở dạng liên kết chữ T dày 5 mm. Dữ liệu này sẽ làm cơ sở để cài đặt các thông số thí nghiệm trong quá trình thực nghiệm ở chương 4. 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM – THÉP DẠNG CHỮ T 4.1. Mục đích Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là nhằm tạo ra liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T thực tế, trên cơ sở của những nghiên cứu lý thuyết ở chương 2 và các tính toán mô phỏng ở chương 3. 4.2. Trang thiết bị thí nghiệm ~ 14 ~ Phần này đã đưa ra các yêu cầu cần thiết về thiết bị nhằm bảo đảm thực hiện tốt liên kết hàn nhôm – thép. Chi tiết về thiết bị hàn, đồ gá hàn và các trang thiết bị phụ trợ sử dụng trong quá trình thí nghiệm được mô tả đầy đủ trong luận án. 4.3. Mẫu thí nghiệm Phần này đã đưa ra các yêu cầu cần thiết đối với phôi và cách chuẩn bị phôi thí nghiệm (hình 4.3), trong đó kích thước của các tấm phôi thí nghiệm phải bảo đảm đúng với kích thước của mô hình đã mô phỏng ở chương 3 (250 x 180 x 5 mm). Chi tiết về phôi hàn được mô tả đầy đủ trong luận án. Hình 4.3 Các mẫu phôi thí nghiệm 4.4. Xây dựng thí nghiệm Áp dụng các cơ sở khoa học đã phân tích ở chương 2 cùng với các kết luận rút ra được từ các kết quả tính toán mô phỏng ở chương 3, tác giả đã đưa ra sơ đồ thí nghiệm cũng như các chế độ công nghệ thí nghiệm và quy trình thí nghiệm phù hợp. Chi tiết được trình bày trong luân án. 4.5. Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn Để đánh giá kết quả thí nghiệm thu được, tác giả đã phân tích và lựa chọn đầy đủ các trang thiết bị để kiểm tra chất lượng liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T (kiểm tra bền, độ cứng, cấu trúc thô đại, cấu trúc tế vi và siêu tế vi,...). Chi tiết về các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn được nêu trong bảng 4.4 của luận án. 4.6. Kết luận chương 4 Trong chương này, tác giả đã đi sâu phân tích để đưa ra được các yêu cầu cần thiết của thiết bị hàn và đã lựa chọn được thiết bị hàn cụ thể, phù hợp với đề tài nghiên cứu. Để đảm bảo tốc độ hàn đều và chính xác, tác giả đã lựa chọn và sử dụng xe hàn tự hành phối hợp với đồ gá hàn phù hợp với dạng liên kết hàn nghiên cứu. Đồng thời đã đưa ra được các yêu cầu về mặt công nghệ và kỹ thuật vận hành hệ thống xe hàn và đồ gá. Tác giả cũng đã phân tích và lựa chọn đầy đủ các trang thiết bị phụ trợ cũng như các thiết bị phục vụ quá trình kiểm tra chất lượng liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T. Đã đưa ra được sơ đồ bố trí thí nghiệm cũng như các chế độ và xây dựng quy trình thí nghiệm rất cụ thể. Đã đề xuất được cách thức tiến hành các loại kiểm tra cơ tính của liên kết hàn nghiên cứu. 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết Thực hiện hàn thí nghiệm theo các chế độ hàn đã nêu cụ thể ở bảng 4.3 trong luận án tương ứng với các giá trị năng lượng đường khác nhau, ta thu được các kết quả thể hiện trong hình 5.1 dưới đây. ~ 15 ~ a) Chế độ hàn 1 (q=1197 J/mm) b) Chế độ hàn 2 (q=739,2 J/mm) c) Chế độ hàn 3 (q=719,95 J/mm) d) Chế độ hàn 4 (q=700,4 J/mm) e) Chế độ hàn 5 (q=680 J/mm) f) Chế độ hàn 6 (q=658,44 J/mm) g) Chế độ hàn 7 (q=600,95 J/mm) h) Chế độ hàn 8 (q=480,76 J/mm) Hình 5.1 Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: trong 8 chế độ công nghệ hàn thí nghiệm ở trên, chỉ có 2 chế độ hàn số 4 và 5 là đạt được yêu cầu (đủ ngấu chân, không nứt, không sụt). Trong đó chế độ hàn số 5 là tốt nhất do có lớp IMC nhỏ nhất và tồn tại nhiều vùng không có lớp IMC. So sánh với kết quả tính toán mô phỏng ở mục 3.4.3, ta thấy rằng kết quả mô phỏng phản ánh khá đúng với thực nghiệm – nghĩa là kết quả mô phỏng ở mục 3.4.3 là chính xác nên rất có ý nghĩa về mặt thực tiễn. Kết quả thực ~ 16 ~ nghiệm còn chỉ ra rằng dải năng lượng đường tối ưu trong thực tế còn kẹp hơn so với kết quả tính toán bằng mô phỏng (thu hẹp theo hướng về phía cận dưới – vùng năng lượng đường thấp). 5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn nhôm - thép Khi hàn với năng lượng đường lớn như chế độ hàn số 3 và đặc biệt là ở chế độ hàn số 2 thì lớp IMC xuất hiện liên tục trên toàn bộ bề mặt tiếp giáp giữa KLMH và tấm thép CCT38 với chiều dày rất lớn dẫn đến hiện tượng nứt ngay tại gianh giới này (hình 5.2). Hình 5.2 Hiện tượng nứt trên gianh giới KLMH và tấm thép CT38 khi hàn ở chế độ hàn số 2 5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T Trong quá trình thực nghiệm, tác giả đã tiến hành hàn thí nghiệm với nhiều trường hợp khác nhau và nhận được các kết quả như mô tả trên hình 5.3 trong luận án. 5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T Tiến hành thử kéo và uốn liên kết hàn thí nghiệm theo sơ đồ đã mô tả trong mục 4.5.1, kết quả thử kéo trên 5 mẫu cho thấy rằng độ bền trượt trung bình đạt được khoảng 80,2 MPa, lớn hơn độ bền trượt của nhôm AA1100 ở trạng thái ủ là 62,1 MPa [63]. Kết quả thử uốn trên 5 mẫu cho thấy rằng độ bền uốn trung bình đạt được khoảng 33,6 MPa, nhỏ hơn giới hạn chảy của KLMH là 41 MPa [46]. 5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T khi hàn với năng lượng đường 680 J/mm được thể hiện trên hình 5.6 dưới đây. a) Vát góc, khe hở hàn 1,5mm, q=680J/mm b) Vát cong, khe hở hàn 2mm, q=700,4 và 680J/mm Hình 5.6 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T dày 5 mm ~ 17 ~ 5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm – thép chữ T Liên kết hàn hybrid nhôm – thép như đã giới thiệu là sự lai ghép giữa hàn nóng chảy bên phía tấm nhôm AA1100 và hàn vảy bên phía tấm thép CCT38. 5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 Trên hình 5.7 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100. Cấu trúc của mối hàn tại đây giống với các mối hàn nóng chảy thông thường khi hàn nhôm AA1100 và hợp kim nhôm silic. Liên kết hàn hình thành theo cơ chế hòa tan – kết tinh từ trạng thái lỏng. Hình 5.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 (x500) 5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 Trên hình 5.8 mô tả cấu trúc tế vi của vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 khi hàn liên kết hybrid nhôm – thép chữ T dày 5 mm bằng quá trình hàn TIG với năng lượng đường q = 680 J/mm. Các hình 5.8a và hình 5.8c là kết quả khi hàn phía thứ nhất, còn các hình 5.8b và hình 5.8d là kết quả sau khi hàn phía thứ hai. a) Vùng liên kim đều (phía 1, x500) c) Vùng không có liên kim (phía 1, x500) b) Vùng liên kim phân tán (phía 2, x500) d) Liên kết sau khi tẩm thực (phía 2, x1000) ~ 18 ~
- Xem thêm -