BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP THÉP 08s +
HỢP KIM NHÔM AMг6 DÙNG TRONG HÀN KẾT CẤU”Mã số: 015.09RDBS
Người chủ trì thực hiện:
Th.S. Lương Văn Tiến 7734
01/3/2010

Uông Bí – 2009
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG


4 Nguyễn Minh Hải Kỹ sư
Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ
cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ
khí
5 Phan Sỹ Dũng Kỹ sư
Trung tâm Đào tạo và Ứng dụng công nghệ
cơ khí – Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ
khí
6 Nguyễn Văn Đức Thạc sỹ
Bộ môn Vật liệu học và Xử lý bề mặt,
Trường Đại học Bác khoa Hà Nội

Uông Bí – 2009

-1-
ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá cần đẩy mạnh thực
hiện các chương trình nghiên cứu và phát triển khoa học công nghệ trọng
điểm thuộc lĩnh vực Công nghiệp, trong đó có công nghệ chế tạo máy trong
lĩnh vực tạo phôi bằng vật liệu có tính năng đặc biệt bimetal thép – thép
không gỉ, thép – hợp kim nhôm, thép – hợp kim đồng… Những vật liệu tổ
hợp có tính năng kỹ thuật mới có thể được ch
ế tạo bằng công nghệ luyện
kim đúc và cán truyền thống, công nghệ hàn khuếch tán, hàn đắp hoặc công
nghệ hàn tốc độ cao bằng sử dụng năng lượng nổ.
Tại các nước công nghiệp phát triển trên thế giới, công nghệ đúc và
cán tạo phôi bimetal được sử dụng phổ biến là do họ đã có đầu tư những
thiết bị máy cán luyện kim công suất lớn tới hàng nghìn KW, đảm bảo
đáp

ư hàn nổ là có hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt là đối với Việt Nam
không có những tổ hợp luyện kim và gia công áp lực với công suất lớn.
Trên thế giới, hầu như tại các nước công nghiệp phát triển đều tiến
hành các nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến bằng cách sử dụng năng

-2-
lượng nổ để biến dạng dẻo kim loại và hợp kim. Chất nổ được dùng trong
các quy trình công nghệ gia công kim loại bằng áp lực như : Biến cứng;
hàn; dập; cắt; tạo hình kim loại bột Hàn bằng năng lượng nổ (gọi tắt là
hàn nổ) là một công nghệ mới rất tiên tiến, khi sử dụng nó cho phép nhận
được các tấm và băng vật liệu hợp kim nhiều lớp, các chi tiết hình trụ
, các
chi tiết kết nối có hình thù yêu cầu nhất định. Hàn nổ còn được sử dụng để
tạo vỏ bọc các chi tiết máy và kết cấu, tạo lớp phủ trên bề mặt kim loại
khác nhau. Hàn nổ cho phép chế tạo các phôi hợp kim nhiều lớp hầu như
không bị hạn chế về kích thước hình học từ các kim loại và hợp kim khác
nhau, trong đó có các kim loại và hợp kim không thể hàn với nhau bằng
công nghệ khác
được, hoặc là rất khó hàn chúng với nhau. Độ bền của mối
hàn nổ thường cao hơn độ bền của các kim loại và hợp kim cấu thành [10].
Công nghệ hàn nổ ứng dụng cho việc tạo phôi bimetal thép + thép
hợp kim, thép + thép không gỉ, thép + titan, thép + đồng (hợp kim đồng)
được nghiên cứu có hệ thống tại một số nước thuộc khối Liên Xô trước
đây, cũng như tại Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Bản, Áo.
Đây là một hướng
công nghệ ít đòi hỏi đầu tư lớn, lại có hiệu quả cao, tạo ra được những tấm
binmetal có kích thước lớn tới 30m
2
trong một lần hàn nổ. Đối với Việt
Nam hiện nay, nhóm nghiên cứu chúng tôi cho rằng đây là một hướng công

các kim loại khác nhau phụ thuộc vào thành phần hoá học và cơ lý tính của
chúng trong đa số các trường hợp đã biết đều không sử dụng được để đánh
giá độ bền liên kết kim loại có những tính chất khác với vật liệu đã chọn để
thí nghiệm trong công trình nghiên cứu này.
Vì vậy, đối với Việt Nam đề tài được tác giả lựa chọn là hướng
nghiên cứu ứng dụng công nghệ
hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ
(tốc độ di chuyển của vùng hàn đạt đến hàng nghìn mét/giây), để sản xuất
vật liệu bimetal thép 08s (đóng tàu) + hợp kim nhôm AMг6 độ bền cao (vật
liệu tổ hợp 2 lớp: nhôm trung gian + hợp kim nhôm độ bền cao) dùng làm
phôi hàn các kết cấu trên boong tàu thủy và trong tàu là hết sức cấp thiết và
có tính ứng dụng thực tiễn cao.
Trong báo cáo này tác giả xin được trình bày những vấn
đề sau :
Chương 1: Tổng quan vật liệu tổ hợp dùng trong công nghiệp đóng tàu
thủy
Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết hàn tốc độ cao giữa 2 tấm kim loại
bằng năng lượng nổ
Chương 3: Phương pháp thực nghiệm hàn tốc độ cao tạo phôi Bimetal
thép 08s + hợp kim nhôm AMг6
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận.

-4-
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Nắm vững bí quyết chế tạo vật liệu tổ hợp 08s + hợp kim nhôm AMг6
bằng công nghệ mới;
- Chế tạo thử sản phẩm băng vật liệu tổ hợp thép 08s + hợp kim
nhôm AMг6 và thử nghiệm hàn thử kết cấu thép và nhôm hợp kim trong
quy mô phòng thí nghiệm.


mòn trong lòng ống thép hoặc lên nền tấm thép (tạo liên kết ở trạng thái rắn
- l
ỏng) là rất phức tạp, đặc biệt ở khâu chuẩn bị bề mặt tiếp xúc lớp thép
với lớp hợp kim chịu mòn, có năng suất thấp, tiêu hao các kim loại mầu
quý hiếm cao [8]. Vì thế, sau năm 1950 ở hầu hết các nước công nghiệp
phát triển trên thế giới người ta đã thực hiện hàng loạt các nghiên cứu ứng
dụng các công nghệ sản xuất vật liệu tấ
m hoặc băng hợp kim nhiều lớp
(bimetal, trimetal…) dùng để chế tạo bạc trượt và các chi tiết máy chịu
mòn khác bằng phương pháp cán dính pakét thép + hợp kim nhôm chịu
mòn, thép + thép hợp kim (sau đúc rót trong khuôn kim loại chuyên dụng).
Ở Liên Xô, như nhà nghiên cứu Ju.Ja. Zilberg [8], hợp kim nhôm có mác
vật liệu ACM, AO6-1, AO20-1 cán dính trên nền thép 08Kп được sử dụng
để thay thế hoàn toàn bạc trượt hợp kim đồng trong các động cơ máy kéo
và ô tô vận tải, động cơ diesel [8]. Ở
Anh người ta sử dụng các băng
bimetal cán dính thép + hợp kim AS-11; thép + hợp kim AS-15. Ở Mỹ
người ta sử dụng bimetal cán dính thép + hợp kim XB-803, thép + hợp kim
Akôla 750; thép + hợp kim XA-750 [1, 15]. Ở Đức người ta sử dụng
bimetal thép + hợp kim nhôm cán dính KS-411B; thép + hợp kim nhôm
KS-630 Đó là những cặp đôi vật liệu kim loại nền và hợp kim chịu mòn
chịu biến dạng dẻo trong điều kiện biến dạng bình thường.
Công nghệ cán dính có hạn chế theo chiề
u cao tối đa của pakét (chiều
dày tổng cộng lớp nền thép và lớp hợp kim chịu mòn), chiều rộng tấm cán
vì có liên quan tới công suất và kết cấu của máy cán đã có trong sản xuất
luyện kim. Ngoài ra, do yêu cầu rất cao về việc làm sạch các bề mặt tiếp
xúc trước khi xếp thành pakét để cán dính hai lớp kim loại với nhau là cản
trở chính trong việc thực hiện các công đoạn trong quá trình công nghệ cán


hai lớp kim loại cao. Tuy nhiên, cần phải có đào tạo chuyên môn nghiệp vụ
nổ cho công nhân vận hành quá trình nổ trong dây chuyền sản xuất bimetal
có sử dụng năng lượng nổ
[1, 18].
Chính vì những nhược điểm cúa các công nghệ truyền thống và ưu
điểm của công nghệ hàn nổ nói trên, ở Việt Nam hiện nay tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí (Bộ Công thương) đã có các nghiên cứu ứng dụng công nghệ
hàn nổ tạo phôi bimetal với nhiều mục đích sử dụng khác nhau và trên thực
tế rất có triển vọng để sản xuất vật liệu bimetal ở Việ
t Nam [1, 2, 6]. Tính
đến thời điểm này ở Việt Nam không có các máy cán dính các tấm kim loại
khổ rộng công suất lớn, cũng như chưa có các thiết bị tạo năng lượng xung
từ trường công suất cao để sản xuất vật liệu tổ hợp nhiều lớp nói chung,
trong đó có bimetal thép – hợp kim nhôm, nên việc lựa chọn công nghệ hàn
tốc độ cao bằng cách sử dụng năng lượng nổ hi
ện nay là phù hợp hơn cả,
do không phải đầu tư thiết bị gia công áp lực cao rất tốn kém. 1.2. Khái quát về vật liệu tổ hợp thép – hợp kim nhôm dùng trong
công nghiệp đóng tàu thủy

-7-
Vật liệu tổ hợp nhiều lớp thép – hợp kim nhôm sử dụng trong ngành
công nghiệp đóng tầu thủy yêu cầu phải có chiều dầy lớp hợp kim nhôm
khá lớn (10 ÷16 mm) mới đảm bảo khi hàn với kết cấu nhôm sẽ không bị
bong tróc do quá nhiệt đối với lớp hợp kim nhôm có chiều dầy mỏng nhận
được theo công nghệ cán dính. Trên hình 1.1 là ảnh chụp một số phôi vật
liệu tổ h
ợp thép ASTM A516-55 – nhôm 1050 – hợp kim nhôm 5083 (đã

phẩm cần thực hiện nghiên cứu c
ơ bản sâu để xác lập cơ sở khoa học về
những yếu tố công nghệ chủ yếu nhằm mục tiêu hạn chế sự ảnh hưởng

-8-
tiêu cực và nâng cao các tính chất sử dụng của những thành phần cấu tử
trong vật liệu. Trong bài báo cáo khoa học nói trên, tác giả giới thiệu một
vài kết quả nghiên cứu khảo sát về vật liệu tổ hợp ba lớp thép 08s - nhôm
1050 - hợp kim nhôm 5083 (hợp kim nhôm AMг6) được nhập từ các nước
châu Âu để sử dụng trong công nghiệp đóng mới và sửa chữa tầu biển và
tầu quân sự ở Việ
t Nam hiện nay.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước
Trong những năm gần đây ở nước ngoài người ta đã ứng dụng công
nghệ tạo lớp phủ bằng vật liệu nhôm và hợp kim nhôm trên nền thép các
bon và thép không gỉ thành công. Vật liệu tổ hợp nhiều lớp nhôm (hoặc
hợp kim nhôm) - thép các bon (hoặc thép không gỉ) có tính chất đặc biệt
như: mật độ thấp, độ bền cao và có thể sử dụng nhi
ều trong các ngành kỹ
thuật công nghiệp trong nền kinh tế của mỗi nước cho phép giảm đáng
kể chi phí nguyên liệu quý hiếm đắt tiền, mở rộng khả năng thiết kế chế
tạo các trang thiết bị máy móc hiện đại khác nhau, tạo điều kiện để nâng
cao tuổi thọ các chi tiết máy quan trọng, giảm khối lượng và giá thành
kết cấu máy. Vấn đề tạo các tấm vật liệu thép ph
ủ nhôm (hợp kim
nhôm), các tính chất và đặc tính công nghệ dập của chúng đã có nhiều
công trình công bố ngoài nước. Do có khả năng chống gỉ cao của lớp phủ
bằng nhôm trên nền sắt và thép nên vật liệu này có ý nghĩa rất lớn trong
việc thay thế các kim loại quý hiếm như thiếc và chì. Vật liệu thép bọc
nhôm được sử dụng trong sản xuất các bóng đèn điện tử thay thế cho

bảo khả năng uốn, dập và biến dạng tạo hình của vật liệu tổ hợp [1].

-9-
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước
Theo công bố của các tác giả công trình [2], ở Việt Nam trong
những năm 80 của thế kỷ trước, như đã điểm qua ở trên, các loại vật liệu
bimetal thép 08Kп - hợp kim nhôm ACM; thép 08Kп - hợp kim nhôm
AO9-1 đã được nghiên cứu thực nghiệm chế tạo bằng phương pháp cán
dính tạo lớp trung gian đồng thời với công nghệ hàn bằng năng lượ
ng nổ
của nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Hà Minh Hùng chủ trì tại Viện Nghiên
cứu Máy - Bộ Cơ khí và Luyện kim Việt Nam (nay là Viện Nghiên cứu
Cơ khí - Bộ Công thương) đạt kết quả rất khả quan. Kết quả nghiên cứu
đối với các loại vật liệu bimetal thép - hợp kim nhôm chịu mòn nói trên đã
có ứng dựng thử trong các động cơ ô tô vận tải như DESOTO-P354 (Mỹ)
- hình 1.2a; IFA-W50 (Đức) - hình 1.2b; PERKING (Trung Quốc) và các
động cơ diezen D6, D9, D12, D22T (Việt Nam); D9 & D12- YANMAR,
KUBOTA (Nhật B
ản) có kết cấu tổ hợp các lớp vật liệu nền thép và hợp
kim chịu mòn tương ứng. Đây cũng là những kinh nghiệm thực tiễn đáng
lưu ý của nhóm nghiên cứu, tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay, đối
với cặp vật liệu thép 08s - hợp kim nhôm AMг6, thép không gỉ - hợp kim
nhôm AMг6 sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tầu thuỷ là chưa
được nghiên cứu ở nướ
c ta, vì vậy cần phải chú ý về vấn đề này do có
nhu cầu thay thế nguồn hàng nhập khẩu, chủ động trong sản xuất và tiết
kiệm ngoại tệ.
Hiện nay, tại Trung tâm Đào tạo và ứng dụng công nghệ Cơ khí –
Tự động hóa, Viện Nghiên cứu Cơ khí đang có phối hợp với Trường Cao
đẳng Công nghiệp và Xây dựng (Bộ Công thương) tại Uông Bí – Quảng

kết quả thực nghiệm).

1.2.3. Kinh nghiệm hàn ghép nối các vật liệu kết cấu thép với hợp kim nhôm
Khi đã tạo ra được các thanh, tấm vật liệu trung gian thép các bon
thấp độ bền cao – hợp kim nhôm để dùng trong hàn tàu thủy, người ta tiến
hành hàn thử nghiệm để xác định vùng tối ưu các thông số công nghệ hàn ở
khâu này.
Một số dạng kết cấu hàn thông qua chi tiết vật liệu tổ hợ
p trung gian
cho trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Một số dạng điển hình khi hàn kết cấu thép
với cấu kiện nhôm hợp kim:
Loại kết nối Sơ đồ chuẩn bị phôi hàn Mối hàn kết nối
1. Hàn nối đầu vật liệu bimetal:
- Xuyên thấu khí

- Không xuyên thấu
khí

- Hàn lắp ghép công
trình -11-
2. Hàn nối kiểu dầm
chữ T trên tấm thép
phẳng:

3. Hàn nối kiểu góc:


cấu đã nguội hoàn toàn mới hàn các tấm hợp kim nhôm AMг6 trong cấu
kiện trên tàu với lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian. Việc hàn
lớp nền thép với các tấm thép không gỉ có thể dẫn tới nung nóng
đáng kể
lớp hợp kim nhôm và làm nóng chảy cục bộ nó dẫn tới bong tróc lớp phủ
hợp kim nhôm, điều này được minh chứng bởi các nghiên cứu cấu trúc
biên giới 2 lớp bimetal và thử phá huỷ mẫu xác định độ bền bám dính
giữa chúng.

-12-
- Phương án hàn thứ 2: đầu tiên hàn lớp hợp kim nhôm vật liệu tổ
hợp trung gian với các tấm hợp kim nhôm kết cấu AMг6, sau đó mới hàn
lớp nền thép vật liệu tổ hợp trung gian với các tấm thép vỏ tàu. Trong trường
hợp này quá trình hàn từ phía lớp nền thép không gặp khó khăn gì và sự hình
thành các pha liên kim loại xẩy ra ở giá trị của năng lượng q
p
khá lớn
(khoảng 2 lần so với trường hợp hàn lớp thép đầu tiên); sự truyền nhiệt rất
đáng kể vào tấm ghép hợp kim nhôm dẫn đến giảm mức độ nung nóng và hư
hỏng tối thiểu của lớp nhôm hợp kim vật liệu tổ hợp trung gian. Thử phá huỷ
mẫu trong trường hợp phương án hàn thứ hai này cho thấy độ bền bám dính
2 lớp vật liệu tổ hợp lớn hơn so với trường hợp thứ nhất. Phá huỷ mẫu xẩy ra
theo lớp hợp kim nhôm hoặc theo đường biên giới của nó với lớp nền thép
vật liệu tổ hợp trung gian.
Trong một công trình nghiên cứu khác ở khối Liên Xô trước đây về
khả năng làm việc của chi tiết trung gian làm bằng vật liệu tổ hợp thép -
hợp kim nhôm nhận được bằng công nghệ hàn nổ [3], lớp n
ền thép 08s và
X18H10T có chiều dày 8 mm, còn lớp hợp kim nhôm AMг6 có chiều dày 5
÷ 6 mm, trong đó lớp lót trung gian là nhôm AД1 có chiều dày 1,5 mm đã

-13-
tiết kết cấu bằng hợp kim nhôm với các cấu kiện bằng thép trước đây
thường được thực hiện bằng phương pháp đinh tán. Để giảm tự trọng của
tầu thuỷ và tăng khả năng chở hàng (tăng tải trọng vận chuyển) có thể
được thực hiện bằng cách thay thế các cụm linh kiện, kết cấu trên tầu thuỷ
từ vậ
t liệu thép trước đây bằng vật liệu mới là hợp kim nhôm, do vậy cần
sử dụng các chi tiết trung gian bằng vật liệu bimetal thép + hợp kim nhôm
để hàn ghép các cấu kiện đó với nhau, phương pháp này làm cho quá trình
chế tạo tầu thuỷ đỡ phức tạp hơn trước và đảm bảo kết cấu làm việc có độ
tin cậy cao.

1.4. Phân tích tổ trúc tế vi biên giới 2 lớp vật liệu tổ hợp thép - hợ
p kim
nhôm sử dụng trong hàn kết cấu tàu thuỷ dân dụng và tàu quân sự
Trên hình 1.1 là ảnh chụp một chi tiết trung gian làm từ vật liệu tổ hợp
3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm dùng để hàn các kết cấu thép với hợp kim
nhôm trên tầu thuỷ tại một nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cấp cho nhóm
nghiên cứu chúng tôi giám định chất lượng. Vật liệu tổ hợp 3 lớp thép -
nhôm - hợp kim nhôm loại này đang được ứng dụng trong một vài c
ơ sở
đóng tầu thuỷ ở Việt Nam được nhập từ hãng cung cấp châu Âu: “Merrem &
la Porte BV” (Veilingweg 2 - 5301 KM Zaltbommel - HOLAND) có tên gọi
mang thương hiệu là TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints. Kích
thước hình học của vật liệu tổ hợp 3 lớp thép - nhôm - hợp kim nhôm là các
thanh 30 x 34 x 3.700 mm được cắt ra từ tấm vật liệu cỡ lớn có khích thước
rộng đến 1.400 mm và chiều dài đến 3.800 mm.
Theo tài liệu về xuất xứ hàng nhập khẩu tại văn bản Certificate for
Rolled Steel Plates, Strip, Sections or Bars c
ủa cơ quan giám định chất

Ngoài ra số lượng vật liệu tổ hợp 3 lớp do Nga sản xuất để làm chi
tiết trung gian khi hàn vỏ tàu bằng thép với kết cấu bằng hợp kim nhôm
trân một số tàu quân sự (tàu 12418) được sử dụng lớn hơn nhiều so với vật
liệu TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints nói trên là hệ thép
X18H10T - nhôm 1050 - hợp kim nhôm AMг6. Kích thước chiều dày
tương ứng các lớp là (10 + 5 + 5) mm. Với tổ hợp kích thước này đã được
nhóm nghiên cứu chúng tôi chọn
để thí nghiệm, vì nguyên vật liệu đầu vào
dẽ mua trên thị trường Việt Nam.
Chúng tôi đã cắt lấy mẫu nghiên cứu khảo sát cấu trúc tế vi vùng liên
kết giữa hai lớp nhôm và hợp kim nhôm với nền thép dọc theo chi tiết trung
gian để hàn trên tàu thuỷ từ vật liệu TRICLAD® Aluminium Steel
Transitionjoints, kết quả thu nhận được cho trên hình 1.3a, b.
a)

b)
Hình 1.3. Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp nền thép và hợp kim nhôm
trong vật liệu nhiều lớp TRICLAD® Aluminium Steel Transitionjoints: a) giữa
lớp thép với lớp nhôm 1050; b) giữa lớp nhôm 1050 với lớp hợp kim nhôm 5083. Kết luận chương 1:
Trong phần này, tác giả đã đạt được các kết quả sau:
1) Nêu được khái quát về tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương
pháp công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều lớp, trong đó có vật liệu 2 lớp
(bimetal) trên thế giới và Việt Nam. Tác giả đã phát hiện rằng: công nghệ
hàn tốc độ cao nhờ sử dụng năng lượng nổ là rất thích hợp (trong đ

ổ hợp nhiều lớp kim loại của nhóm nghiên cứu, tác giả đề tài này đã
tích cực tham gia thực hiện nhiều nội dung công việc liên quan đến các
nghiên cứu cơ bản vật liệu mới. Những phần kết quả công bố trong công
trình này đều được người chủ trì nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Đào tạo và
Ứng dụng công nghệ Cơ khí – Tự động hóa (Trung tâm CTA-NARIME) là
PGS.TS. Hà Minh Hùng cùng với các cộng sự khác cho phép. -16-
Chương 2.
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT HÀN TỐC ĐỘ CAO
GIỮA HAI TẤM KIM LOẠI BẰNG NĂNG LƯỢNG NỔ

2.1. Đặc điểm của quá trình hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ
Hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim loại và hợp kim dưới tác
động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ. Lịch sử hình thành
quá trình công nghệ hàn nổ đã được đề cập trong các công trình [1, 3]. S
ơ
đồ nguyên lý quá trình hàn nổ song song để tạo phôi bimetal được thể hiện
trên hình 2.1a, b. Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được
đặt dưới một góc nghiêng (α) ở khoảng cách cố định (h
O
). Trên tấm kim
loại hàn (3) là lớp thuốc nổ (2). Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1).

Viện Thuỷ khí động học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô khi thực
nghiệm một trong các sơ đồ làm biến cứng hai tấm kim loại bằng năng
lượng nổ [10].
Các nhà khoa học đã đề
xuất sơ đồ hàn nổ song song, giả thiết cho
rằng: cơ sở của quá trình hàn nổ là sự hình thành tia kim loại cục bộ,
xuất hiện trong các điều kiện va đập với tốc độ cao giữa hai tấm kim loại
nằm nghiêng một góc hoặc song song với nhau. Khi kích nổ thuốc nổ,
theo nó di chuyển mặt phân cách nổ với tốc độ lên đến hàng nghìn mét
trong một giây [15]. Tốc độ va đập củ
a tấm kim loại trên với tấm kim
loại dưới đạt đến 1.500 m/s. Tốc độ di chuyển của vũng hàn theo hướng
nổ cũng đạt giá trị trên dưới 1.000 m/s, phụ thuộc vào góc va đập trong
từng trượng hợp hàn cụ thể. Tại điểm va đập xuất hiện một dòng có định
hướng các hạt kim loại, chuyển động với tốc độ cao trong khe hở giữa
hai tấm kim loại hàn và tạ
o ra bề mặt liên kết dạng sóng âm [10, 11, 12].
Tia kim loại cục bộ làm sạch lớp màng ôxit trên các bề mặt tiếp xúc
hai tấm kim loại. Tại điểm va đập dưới tác động của áp suất và nhiệt độ
rất cao, hai tấm kim loại đi vào tiếp xúc trực tiếp một cách chặt chẽ và
nhờ đó tạo ra liên kết kim loại trên toàn bộ diện tích các bề mặt tiếp xúc.
Trong công trình [15]
đã được đề xuất các điều kiện hình thành tia
kim loại cục bộ khi hàn tốc độ cao bằng năng lượng nổ như sau:
1) Trong mọi trường hợp, không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của
điểm va đập, áp suất được tạo ra trực tiếp trước điểm va đập cần phải đủ
lớn để thắng giới hạn đàn hồi độ
ng của vật liệu và đảm bảo nén ép các bề
mặt kim loại hàn vào tia kim loại cục bộ;
2) Nếu tốc độ di chuyển của điểm va đập v

tốc độ di chuyển của điểm va đập bằng tốc độ nổ v
K
= D.
Một trong những sơ đồ nổ song song như vậy đã được trích dẫn trong
công trình [10, 17] là sơ đồ do A. A. Deribas và V. C. Seđưkh đề xuất, trong
đó các tấm kim loại hàn được đặt cách nhau với khe hở xác định, còn chỗ đặt
kíp nổ được bẻ cong một đoạn để tạo góc nghiêng ban đầu giữa chúng.
Nhưng trong công trình [31] đã chỉ ra rằng việc uốn cong phần đầu tấ
m kim
loại hàn nổ để đặt kíp nổ chỉ có ý nghĩa khi sử dụng thuốc nổ tốc độ cao
hoặc khi chiều dày tấm kim loại hàn lớn hơn 10 mm. Đối với sơ đồ hàn nổ
kiểu này, tốc độ di chuyển của điểm va đập (vùng hàn) dọc theo hướng nổ sẽ
bằng tốc độ nổ.
Hiện nay, ở một số nước thuộc Liên Xô trước đ
ây và các nước khác đã
có nhiều đăng ký bản quyền sáng chế về những phương pháp hàn nổ, đặc
trưng bởi vị trí đặt các tấm kim loại hàn so với nhau trước khi nổ (nghiêng,
song song, đối xứng); hình dạng bề mặt của các tấm kim loại hàn (phẳng,
trụ, cong không gian); tỷ lệ các kích thước hình học của các tấm kim loại
hàn; thứ tự các bước công nghệ hàn nổ; sơ đồ kích nổ Một trong số
những
bằng sáng chế chung nhất là bản quyền số 3137937 USA, MuK B 23K29/00
bao trùm hầu như đa số các trường hợp ứng dụng trong hàn nổ có sử dụng
thuốc nổ có tốc độ nổ thấp hơn 120% so với tốc độ truyền âm trong vật liệu
kim loại hàn và sơ đồ nổ song song [1]. Có thể hàn nổ khi tốc độ nổ cao hơn
trong vật liệu kim loại hàn [2]
, tuy nhiên khi đó cần thực hiện sơ đồ nổ
nghiêng dưới một góc α đảm bảo tốc độ di chuyển của điểm va đập v
K
nhỏ

để loại bỏ hoàn toàn
vùng không hàn tại điểm kích nổ một cách hoàn hảo. Ngoài ra, để bảo vệ bề
mặt tấm kim loại hàn khỏi tác động trực tiếp của thuốc nổ phân huỷ khi nổ
khuyến cáo nên sử dụng một lớp vật liệu trung tính như polietilen, cao su
mỏng làm lớp cách giữa thuốc nổ và tấm kim loại trên. Để giảm thiểu hiện
tượng không hàn theo chu vi tấm bimetal, người ta sử d
ụng phương án nổ
“treo” của thuốc nổ [18].
Khi hàn nổ một số cặp kim loại như: thép + titan, thép + nhôm, titan +
đồng quá trình gia công nhiệt tiếp theo sau hàn nổ có thể làm cho sự
khuếch tán của các phần tử trong liên kết hàn nổ xẩy ra với cường độ cao
trong mối hàn, điều đó dẫn đến sự hình thành của các liên kim loại. Các liên
kim loại này có độ cứng rất cao và chúng làm giảm độ bền bám dính hai lớp
bimetal, đặ
c biệt là đối với cặp vật liệu hàn là thép và nhôm. Để hạn chế hình
thành các liên kim loại trong mối hàn bằng năng lượng nổ đã có đề xuất hàn
qua lớp kim loại trung gian, với điều kiện kim loại trung gian đó không có
phản ứng hoá học tác dụng với các kim loại hàn để tạo thành các liên kim
loại [12÷17]. Có đề xuất sử dụng lớp trung gian bằng niken để chống khuếch
tán đượ
c hàn nổ với thép các bon, rồi sau đó cán xuống kích thước yêu cầu
và sử dụng bimetal sau cán để hàn nổ với thép không gỉ. Khi đó, quá trình
hàn bằng năng lượng nổ sẽ trở nên phức tạp hơn, nhưng đảm bảo được chất
lượng mối hàn nổ cao.
Như vậy, đã có hàng loạt các đề xuất trong giải quyết các bài toán công
nghệ hàn nổ để nhận được các liên kết kim loại các vật liệ
u khác nhau có
chất lượng cao. Tuy nhiên, việc giải bài toán tối ưu công nghệ hàn nổ đối với
từng cặp vật liệu hàn cụ thể mang tính chất cá biệt, vì vậy để đạt được mục
tiêu đề ra trong đề tài nghiên cứu này cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu


Rõ ràng là các phía của đỉnh và chân sóng liên kết theo hướng lan
truyền sóng va đập, hình thành bởi tia kim loại cục bộ, được hấp thụ bởi vật
liệu tấm kim loại hàn (tấm trên), còn ở phía sau sóng va đập là vật liệu tấm
kim loại nền (tấm dưới). Toàn bộ khối lượng kim loại bị đẩy ra khi hàn nổ bị
cuốn vào tia kim loại cục bộ, vì phần lớn của nó cuốn vào các vòng xoáy từ
phía sau đỉnh sóng liên kết, nơ
i có hỗn hợp cơ học của các hạt rất mịn từ bề
mặt hai tấm kim loại hàn. Thông thường sự nóng chảy nhờ chuyển biến động
năng của tia kim loại cục bộ thành nhiệt năng các vùng có kim loại nóng chảy

-21-
tại điểm va đập khi hàn nổ được làm nguội nhanh bởi sự tản nhiệt của nó, điều
này dẫn đến sự hình thành các vùng kết tinh trên đỉnh sóng liên kết. Nếu như
các đoạn kết tinh đó không lớn và phân bố cách biệt so với nhau thì chúng ít
gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại hai lớp bimetal. Nếu khi hàn
nổ có tia kim loại cục bộ có cường độ cực cao thì toàn bộ b
ề mặt liên kết hai
lớp kim loại bimetal bị phủ bởi một lớp vật liệu nóng chảy.
Lý thuyết về sự hình thành sóng liên kết và làm sạch bề mặt hai tấm
kim loại hàn nổ đầy đủ hơn cả đã được các nhà nghiên cứu như Crosland
và Wiliam đề xuất [14]. Dự trên cơ sở hàng loạt các nghiên cứu hàn nổ,
trong công trình [12] đưa ra kết luận rằng: Để hình thành
được sóng liên
kết cần phải có sự kích hoạt đủ mạnh ban đầu khi hàn nổ và việc tạo thành
sóng liên kết không phải là sự xuất hiện của trạng thái không bền vững nào
đó, mà xẩy ra do quá trình tự dao động cùng với kích hoạt cứng sóng kiên
kết và tại vùng lân cận xung quanh điểm va đập là ảnh đồ của nó.
Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh rằng: điểm bắt đầu kích
ho

đề xuất sự phụ thuộc của bước sóng vào tốc độ nhóm tương tự như biểu
thức (2.1):
λ / δ
1
= A. [sin (r / 2)]
2
(2.2)
và đưa ra kết luận về ảnh hưởng có thể của sức căng bề mặt kim loại ở
trạng thái không bình thường các lớp bề mặt của chúng trong điều kiện va
đập tốc độ cao đến quá trình hình thành liên kết dạng sóng.

-22-
Ta đã biết rằng: Bước sóng có thể thay đổi tuỳ thuộc vào đường đi
qua điểm tiếp xúc va đập, tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng và khe hở ban
đầu giữa hai tấm kim loại hàn [10, 11]. Các thông số sóng liên kết hai lớp
kim loại có thể thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào cấu hình tế vi của các bề
mặt hàn với nhau khi hàn nổ: Bề mặ
t gia công thô sẽ tạo ra hình thành sóng
liên kết trong vùng mối hàn rất đáng kể, còn gia công bề mặt tinh – dẫn đến
giảm các thông số sóng liên kết và giảm số lượng các chất nóng chảy trong
mối hàn nổ [16]. Nguyên nhân của các hiện tượng này chưa được nghiên
cứu kỹ, nhưng đã có đề xuất quan hệ sau đây trong hệ các thông số không
thứ nguyên [17]:
λ / δ
1
= A.lg (R
Z
/ c + B. lg (R
Z
/ δ

) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm
kim loại hàn; độ nhám bề mặt tiếp xúc khi hàn (R
Z
); nhiệt độ các tấm kim loại
hàn (T
1
, T
2
); kích thước và đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ
dai…).
4) Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm
kim loại hàn (W
1
); động năng riêng của tấm kim loại nền (W
2
).
Do việc xác định các thông số vật lý rất phức tạp, nên người ta
thường xác định mối tương quan giữa các thông số công nghệ với thống
số động học - γ, v
P
, v
K
. Điều kiện ban đầu để tính toán các thông số hàn
nổ chủ yếu là quan điểm mô hình về sự va đập của hai dòng chất lỏng
không nén được, ở đó tạo thành dòng phản chiều dạng tia cục bộ. Tính
chất đàn hồi của chất lỏng (mô đun đàn hồi của nó bằng không) được xác
định chỉ bởi độ nén của nó hoặc mô đun nén theo mọi hướng. Nhưng nế
u
vật thể cứng chịu ứng suất lớn theo sơ đồ khác với sơ đồ nén toàn phần
thì nó thay đổi tính chất và trở nên chảy dẻo, về mặt này vật thể cứng

công thức sau:
γ = α
+ β (2.9)
Còn theo sơ đồ nổ song song: γ = β (2.10)
Đối với sơ đồ nổ nghiêng, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc được
xác định theo công thức:
v
K
= D. sin (γ − α) / sin γ = D. sinβ / sin γ (2.11)
Điều này có liên quan tới việc để xác định tốc độ dịch chuyển của
điểm tiếp xúc khi va đập (v
K
) cần chú ý đến tấm kim loại hàn trên thực tế
trong quá trình hàn nổ đã không còn là một tấm phẳng nữa, còn đường tiếp
xúc là một đường cong lồi [21]. Nếu ta khảo sát bức tranh va đập hai chiều,
có thể giả thiết cho rằng tốc độ của điểm tiếp xúc v
K
= CC′; v
P
= BC′.
Góc va đập (γ) là thông số động học thứ hai. Để xác định góc va đập
(γ) cần xác định được tốc độ hàn định hướng theo đường phân giác của góc