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

Luận án tiến sĩ năm 2014
Đề tài: Nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm – thép bằng quá trình hàn TIG





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
hàn hybrid nhôm - thép32
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
hàn TIG 36
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
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
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
EDS 95
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








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, .


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 &
công nghệ, nhưng nghiên cứu thành công sẽ có rất nhiều ý nghĩa về mặt khoa học và thực
tiễn.


ã 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.
ã 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.