Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ
Cấu trúc tế vi biên giới liên kết giữa lớp thép 45 với lớp thép ШХ15 khảo sát trên mẫu
cắt dọc theo hướng nổ tại phần giữa phôi nổ (hình 6 b) được thể hiện trên hình 12 có biên dạng
sóng âm đều đặc trưng của công nghệ hàn nổ,điều này minh chứng cho mức chất lượng mối hàn
là do quy định bởi độ ổn định quá trình nổ trong phân vùng 2 như đã nêu trên. Đối với các chế
độ nổ thích hợp (mẫu số 5 và mẫu số 15) biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ rất
ít tạp chất, điều đó đảm bảo chất lượng bám dính giữa chúng rất cao, vật liệu có thể sử dụng
ngay ở trạng thái sau hàn nổ mà không cần qua gia công biến dạng dẻo.
10 trang |
Chia sẻ: linhmy2pp | Ngày: 17/03/2022 | Lượt xem: 207 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tạo lớp phủ thép hợp kim trên bề mặt chi tiết dạng trụ bằng công nghệ hàn nổ, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008
TẠO L ỚP PH Ủ THÉP H ỢP KIM TRÊN B Ề MẶT CHI TI ẾT D ẠNG TR Ụ
BẰNG CÔNG NGH Ệ HÀN N Ổ
Hà Minh Hùng - Ph ạm V ăn Qu ế (Vi ện Nghiên c ứu C ơ khí)
1. Đặt v ấn đề:
Sử d ụng n ăng l ượng n ổ trong gia công kim lo ại bằng áp l ực là một trong các ph ươ ng
pháp bi ến d ạng t ạo hình tiên ti ến để tạo phôi, ho ặc ph ục h ồi các chi ti ết máy có hình thù từ đơ n
gi ản đến ph ức t ạp mà không c ần ph ải đầu t ư thi ết b ị t ạo áp l ực l ớn nh ờ có nhi ều ưu điểm và tính
ch ất đặc bi ệt của quá trình n ổ, và do v ậy đã được nghiên c ứu ứng d ụng r ộng rãi t ại các n ước
công nghi ệp tiên ti ến nh ư Mỹ, Liên Xô tr ước đây, Nh ật B ản và nhi ều n ước khác, trong đó đã có
một vài nghiên c ứu ứng dụng tại Vi ệt Nam.
Ở M ỹ, ng ười ta đã s ử d ụng n ăng l ượng n ổ để hàn các t ấm kim lo ại kích th ước l ớn có di ện
tích đến 34 m 2 với nhau b ằng m ột l ần n ổ mà không c ần thi ết b ị t ạo áp l ực nào có th ể thay th ế được.
Năng l ượng n ổ c ũng được ứng d ụng trong vi ệc t ạo phôi h ợp kim nhi ều l ớp đồng th ời k ết h ợp v ới
nhi ều ph ươ ng pháp công ngh ệ truyền th ống nh ư: phun n ổ t ạo l ớp ph ủ kim lo ại lên b ề m ặt kim lo ại
nền, ép n ổ t ạo hình v ật li ệu b ột kim lo ại, d ập n ổ bi ến d ạng t ạo hình các h ợp kim khó bi ến d ạng d ẻo,
gia công bi ến c ứng chi ti ết b ằng thép h ợp kim t ại nh ững vùng c ục b ộ ch ịu t ải tr ọng l ớn...
Hàn b ằng n ăng l ượng n ổ đã được các nhà khoa h ọc trên th ế gi ới, trong đó có Liên Xô
tr ước đây, đặc bi ệt quan tâm và đầu tư nghiên c ứu ứng d ụng trong l ĩnh v ực ph ục h ồi các chi ti ết
máy có kích th ước và kh ối l ượng l ớn ngay t ại hi ện tr ường s ử dụng, ví dụ nh ư: hàn ph ục h ồi các
ch ỗ hư hỏng trên đường ống d ẫn d ầu khí, t ạo phôi để làm các bể ch ứa ch ịu ăn mòn hoá học, ch ế
tạo v ật li ệu h ợp kim nhi ều l ớp t ừ nh ững kim lo ại và hợp kim khó bi ến d ạng d ẻo ở điều ki ện
thông th ường dùng trong công nghi ệp hàng không và vũ tr ụ. Một l ĩnh v ực ứng d ụng n ăng l ượng
nổ khác trên th ế gi ới là ph ục h ồi các chi ti ết t ừ vật li ệu b ằng thép và hợp kim m ầu khác có dạng
ống nh ư xy lanh thu ỷ lực, d ạng cánh tu ốc bin thu ỷ khí, các g ối t ựa ch ịu l ực d ạng c ầu... c ũng r ất
có hi ệu qu ả kinh t ế [1].
3. Cách ti ếp cận
- Nghiên c ứu cơ sở lý thuy ết hàn nổ để bi ến dạng dẻo tóp ống chi ti ết dạng hình tr ụ để từ
đó tính toán lượng thu ốc nổ sử dụng cần thi ết để thí nghi ệm ph ục hồi một số xy lanh thu ỷ lực
bằng thép trong b ộ gi ảm xóc xe ô tô vận tải mỏ tại Qu ảng Ninh;
- Nghiên c ứu th ực nghi ệm phát tri ển công ngh ệ hàn nổ tóp ống để tạo phôi bimetal d ạng
tr ụ từ vật li ệu lõi thép bên trong là thép ch ế tạo máy thông th ường (thép 45), và lớp ph ủ bề mặt
làm vi ệc của một số chi ti ết máy bằng thép hợp kim ch ịu mòn cao (thép ШХ 15);
- Nghiên c ứu tính ch ất biên gi ới hai l ớp bimetal thép 45 + thép ШХ 15 sau hàn nổ theo m ột
số ph ươ ng pháp ở các công trình [1÷5].
3. Nội dung báo cáo
3.1. Bài toán bi ến d ạng tóp ống kim lo ại b ằng n ăng l ượng n ổ
Chúng ta quan sát m ột ống kim loại hình tr ụ có bán kính ngoài R 1 và bán kính trong R 2,
ch ịu áp l ực p phân b ố đều ở mặt ngoài (hình 1). Khi p đạt một giá tr ị p1 nào đó thì ống kim lo ại
45
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008
bắt đầu bi ến d ạng d ẻo và các phân t ố của ống b ị dịch chuy ển vào phía tâm m ột cách đối x ứng.
Để đơ n gi ản hóa quá trình tính toán, chúng tôi gi ới h ạn ống kim lo ại có chi ều d ầy nh ỏ so v ới
bán kính c ủa ống. T ừ đó cho phép có th ể bỏ qua ảnh hưởng của chi ều dài ống trong phép tính,
và ta có th ể coi nh ư bài toán ph ẳng. Khi đó, ph ươ ng trình cân b ằng ứng su ất t ại m ột ph ần t ử nh ỏ
của ống khi ch ưa chuy ển động trong t ọa độ c ực có d ạng:
σ σ −σ
d r r ϕ
+ = 0 (1)
dr r
Theo điều ki ện d ẻo Misses:
σ − σ = 2 σ
r ϕ T (2)
3
trong đó: σr, σϕ - ứng su ất h ướng tâm và ứng su ất ti ếp tuy ến t ươ ng ứng;
σT - ứng su ất ch ảy c ủa v ật li ệu.
Đặt bi ểu th ức (2) vào (1) và l ấy tích phân ph ươ ng trình (1) ta có:
− 2σ
σ = T +
r ln r c (3)
3
Khi ống b ắt đầu bi ến d ạng d ẻo, h ằng s ố tích phân được xác định b ởi điều ki ện sau:
2σ
σ = T
r (r = R 2) = 0; c ln R 2 (4)
3
− 2σ
σ = T r
Đặt bi ểu th ức (4) vào (3) ta có: r ln (5)
3 R
Gi ới h ạn áp su ất p 1 đủ để xy lanh bi ến dạng dẻo dưới tác d ụng c ủa t ải tr ọng t ĩnh được xác định
theo bi ểu th ức:
− σ
= +σ ()= = 2 T R1
p 1 r r R1 ln (6)
3 R 2
ở đây: d ấu “ −” bi ểu th ị áp su ất nén.
Trong tr ường h ợp ống thép bi ến d ạng d ưới tác d ụng c ủa t ải tr ọng động xung cao t ốc khi n ổ
thì σT không th ể là ứng su ất ch ảy t ĩnh c ủa v ật li ệu, mà khi đó ta ph ải l ấy gi ới h ạn ch ảy động σtd :
−
= 2 σ R 1
p td td ln (7)
3 R 2
Sau đây ta hãy xét tr ường h ợp ống b ị tóp co l ại theo h ướng kính (v ật li ệu thành
ống chuy ển động h ướng vào tâm) d ưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ. Nhà khoa h ọc
ng ười Nga nghiên c ứu trong l ĩnh v ực hàn n ổ Đeribas A. A. gi ả thi ết coi hình tr ụ bị bi ến
dạng r ất nhanh như một ch ất l ỏng lý t ưởng. Khi đó, nếu g ọi r o là kho ảng cách c ủa m ột
ph ần t ử nh ỏ của ống đối với tâm tr ước lúc bi ến d ạng: r(r o, t) là kho ảng cách c ủa chính
điểm đó ở th ời điểm t (sau khi n ổ) trong quá trình d ịch chuy ển. Ph ươ ng trình liên t ục
của ph ần t ử trên thành ống có dạng:
∂
r ( r0 , t ) = r0
∂ (8)
r0 r ( r0 , t )
46
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008
Ph ươ ng trình chuy ển động c ủa ph ần t ử có dạng:
∂ 2 r(r , t) r(r , t) 1 ∂P (r , t)
0 0 = − 0 (9)
∂ 2 ρ ∂
t r0 1 r0
trong đó: p - áp su ất c ủa ch ất l ỏng; ρ1 - kh ối l ượng riêng c ủa v ật li ệu được coi nh ư ch ất l ỏng.
= 2 +
Lấy tích phân ph ươ ng trình (8) theo r 0: r r0 C(t) (10)
ở đây: C (t) - hằng s ố tích phân ph ụ thu ộc vào bi ến s ố (t).
Lấy đạo hàm bi ểu th ức (10) theo (t) và đặt vào ph ươ ng trình (9) ta có:
" 2 2'
C R 10 + c c 1 1 1 1
ln + − − = − []p()()R − p R (11)
2 + 2 + 2 + 2 + ρ 1 2
4 R 20 c 8 R 10 c R 10 c R 20 c 1
2 2 2 2
trong đó: p (R 2) = 0; p(R 1) = t; R 1 = R 10 + C ; R 2 = R 20 + C
2
d ( R ) d 2 ( R 2 )
Ta có: C ' = 1 ; C " = 1 (12)
dc dt 2
Thay C ' và C " vào ph ươ ng trình (11) ta nh ận được:
1 d 2 R 2 t)( d 2 R 2 − R 2 1 R 2
[]R 2 (t ) ln 1 − R 2 t)( 10 20 = p t)( − K ln 1 − p t)(
2 1 2 1 2 2 ρ 1 2 2
4 dt R2 t)( dt 8R1 t)( R2 t)( R2
= σ − σ
K r ϕ (13)
Vì nếu coi v ật li ệu trong tr ường h ợp bi ến d ạng ở tốc độ và áp su ất cao khi n ổ nh ư một
ch ất l ỏng lý t ưởng không nén được, nên ta có th ể vi ết:
2 − 2 = 2 − 2 2 = 2 + 2 − 2
R1 R2 R10 R20 ; R2 R1 R20 R10
Áp l ực sinh ra do quá trình n ổ tác d ụng lên ống hình tr ụ được xác định nh ư sau:
16 ρ H + R − R (t ) dR (t ) 3
p (t ) = 0 10 1 + 1 (14)
27 D t + H / D dt
trong đó: ρo, D - kh ối l ượng riêng và tốc độ nổ của thu ốc n ổ tươ ng ứng;
H - chi ều dày l ớp thu ốc n ổ.
Trong th ực t ế ống kim lo ại b ằng thép b ị bi ến d ạng không hoàn toàn nh ư một ch ất l ỏng lý
tưởng. Do đó, trong quá trình dịch chuy ển vào phía trong, t ại các ph ần t ử của ống thép s ẽ phát
sinh ph ản l ực ch ống l ại hi ện t ượng bi ến d ạng d ẻo (tr ở kháng bi ến d ạng). Vì th ế, ống thép ch ỉ
duy trì sự bi ến d ạng c ủa nó sau m ột th ời gian nh ất định và đạt m ột giá tr ị nào đó. Vì ống kim
lo ại b ị bi ến d ạng v ới t ốc độ rất nhanh d ưới tác d ụng c ủa áp su ất n ổ cực cao, nên trong tr ường
hợp này ta ph ải l ấy K = K 0 là ứng su ất ti ếp động. Gi ải ph ươ ng trình vi phân (13) v ới hai điều
dR )0(
ki ện: R =0; 2 = 0 và chúng ta s ẽ xác định được quy lu ật chuy ển động c ủa ống kim lo ại
2 dt
dưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ.
47
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008
• Kết qu ả tính toán và th ử nghi ệm ứng d ụng ph ục h ồi xy lanh thu ỷ lực:
Dưới đây chúng tôi gi ới thi ệu k ết qu ả tính toán áp d ụng cho bài toán nh ư sau: V ật li ệu ống
bi ến d ạng d ẻo d ưới tác d ụng c ủa n ăng l ượng n ổ là ống xy lanh thuỷ lực b ằng thép tươ ng đươ ng
mác thép 45 trong b ộ ph ận gi ảm xóc c ủa xe ô tô vạn t ải m ỏ KOMASHU –320 (Nh ật Bản).V ật
3
li ệu này có cơ tính nh ư sau: m ật độ ρ1 = 7,85g/cm ; trở kháng ch ống bi ến d ạng K d = 610,7
MPa; ống có kích th ước ban đầu R10 = 56 mm; R 20 = 50 mm (tr ước khi bi ến d ạng tóp). Thu ốc
3
nổ được dùng là lo ại Amônít 6 ЖB c ủa Nga có mật độ rải b ằng ρ0 = 0,9 g/cm và chi ều d ầy l ớp
thu ốc n ổ tối thi ểu bằng H = 9 mm. Trên hình 3 th ể hi ện sơ đồ kh ối để lập ch ươ ng trình máy tính
cho vi ệc tính toán bài toán n ổ tóp ống xy lanh thu ỷ lực nói trên. Kết qu ả tính toán được cho
trong b ảng 1.
Trong tr ường h ợp chi ều dày l ớp thu ốc n ổ không l ớn, t ốc độ nổ được tính toán theo bi ểu
2,44
th ức sau [2]: D = 5,4 1 − (15)
H 0 ,79
trong đó: D – tốc độ nổ của thu ốc n ổ, được bi ểu th ị bằng mm/ µs; H – chi ều dày l ớp thu ốc n ổ,
được tính theo mm.
1
2
3
R
1 2
R 4
P P 5
6
7
Hình 1. Sơ đồ phân b ố áp su ất tác dụng Hình 2. Sơ đồ n ổ tóp ống kim lo ại:
lên m ặt tr ụ ống thép khi bi ến d ạng d ẻo 1) - Kíp n ổ; 2) - Chóp nón b ằng g ỗ; 3) – Ống kim lo ại
bằng n ăng l ượng n ổ. cần tóp; 4) - Lõi thép c ố định kích th ước đường kính
trong; 5) - Thu ốc n ổ; 6) - Ống b ọc thu ốc n ổ b ằng bìa
gi ấy; 7) -Đế n ổ.
Bảng 1. Kết qu ả tính toán n ổ tóp ống kim lo ại b ằng thép
µ µ µ µ
r , s R2, mm dR 2/dt, mm/ s r , s R2, mm dR 2/dt, mm/ s
0 50 0 8 49,40 0,126
1 49,99 0,019 9 49,28 0,123
2 49,96 0,037 10 49,16 0,120
3 49,91 0,056 20 48,12 0,089
.... ..... ..... 30 47,39 0,056
Kết qu ả tính toán trên đây cho th ấy: dưới tác d ụng c ủa áp l ực xung n ổ các ph ần t ử của
ống d ịch chuy ển t ăng d ần đến m ột th ời điểm nào đó và tốc độ dịch chuy ển đạt giá tr ị cực đại.
Ti ếp sau đó, t ốc độ dịch chuy ển gi ảm d ần và ti ến t ới b ằng không và khi đó ống thép s ẽ nh ận giá
tr ị th ực sau khi b ị bi ến d ạng b ằng n ăng l ượng n ổ. V ới s ố li ệu tính toán trong b ảng 1 trên đây có
48
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008
th ể ch ỉ định các giá tr ị biên c ủa mi ền kh ảo sát khi l ập quy ho ạch th ực nghi ệm n ổ tóp các lo ại
ống kim lo ại từ các v ật li ệu khác nhau để th ực hi ện thí nghi ệm th ăm dò công ngh ệ. Sau khi xác
định được giá tr ị th ực nghi ệm ở các ch ế độ đó, c ần th ực hi ện các thí nghi ệm hi ệu ch ỉnh để tìm
các thông s ố công ngh ệ nổ tối ưu đảm b ảo kích th ước cu ối cùng c ủa ống thép sau khi n ổ tóp.
Nh ập số li ệu vào máy
Tính c ực tr ị K d, V H
Chu k ỳ bi ến đổi R 2
Chu k ỳ bi ến đổi l ớn H
2
Thay đổi kích th ước ống khác nhau
Tính toán các thông s ố c ủa ph ươ ng trình (13)
Chu k ỳ bi ến đổi nh ỏ dR 2 Để gi ải PT vi phân
Gi ải ph ươ ng trình vi phân (13)
Xác định dR 2/dt; ∆R2
NÕu dR 2/dt
NÕu dR 2/dt
Không cùc ®¹i
Nếu dR /dt -V
2 H
Không
In k ết qu ả R 2, H, V, ∆R
Kết thúc chu k ỳ R 2
Kết thúc gi ải
Hình 3. Sơ đồ kh ối l ập trình tính toán bài toán n ổ tóp ống kim lo ại.
49
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008
3.2. Bài toán n ổ tóp ống để hàn v ới lõi thép ở gi ữa
Gi ả thi ết cho r ằng ống kim lo ại phía ngoài có kh ối l ượng riêng ρ1 và có bán kính ban
đầu là R 10 và R 20 . Ống được bao quanh b ằng thu ốc n ổ dạng ống có chi ều d ầy H. Th ỏi ho ặc ống
thép bên trong có đường kính ngoài R 30 . Khe h ở gi ữa ống thép ngoài và th ỏi kim lo ại trong ∆R
= R 20 - R30 . Dưới tác d ụng c ủa áp su ất n ổ, ống ngoài b ị tóp l ại v ới t ốc độ v, t ốc độ này s ẽ đạt
được giá tr ị cực đại sau m ột th ời gian r ất ng ắn. Sau đó do tr ở l ực ch ống bi ến d ạng c ủa kim lo ại
tốc độ dịch chuy ển gi ảm d ần (bảng 1). Chúng ta s ẽ xác định kho ảng cách t ối ưu ∆R c ủa ống
thép bên ngoài và th ỏi kim lo ại bên trong nh ằm m ục đích đạt được giá tr ị c ực đại c ủa v tươ ng
ứng v ới d ịch chuy ển ∆R. Ống thép bên ngoài va đập vào th ỏi thép bên trong v ới t ốc độ v phát
sinh ra m ột áp su ất xung pv xác định theo bi ểu th ức sau:
v ρ ρ C C
p = 1 2 1 2 (16)
v ρ + ρ
1C 1 2 C 2
trong đó: C 1; ρ1; C 2; ρ2 - tốc độ truy ền sóng và kh ối l ượng riêng c ủa ống thép ngoài và lõi thép
trong t ươ ng ứng.
Gi ả s ử ống thép ngoài sẽ hàn được v ới lõi thép bên trong n ếu áp l ực xung khi n ổ đủ l ớn
để t ạo ra ứng su ất ti ếp va đập l ớn hơn ứng su ất ch ảy động c ủa v ật li ệu có độ bền cao cao
hơn.Theo lý thuy ết đường tr ượt c ủa m ột t ấm kim lo ại b ị bi ến d ạng ch ảy d ẻo do va đập thì gi ới
hạn c ủa áp su ất va đập ph ải đạt được là:
= + π
p v 2( ) K d (17)
ở đây: K d - gi ới h ạn ứng su ất ti ếp ch ảy d ẻo ở tr ạng thái nóng c ủa v ật li ệu có độ bền cao h ơn
(ống ho ặc th ỏi kim lo ại hàn).
σ
d σ ≅ ÷ σ
Tr ị số K d được xác định theo bi ểu th ức: K = và d 3( )4 T
d 3
= ÷ σ
Từ đó suy ra: p v 9( 12 ) T (18)
Từ bi ểu th ức (17) và (16) xác định t ốc độ va đập c ần thi ết để quá trình hàn được x Ny ra:
ρ C + ρ C
v = 1 1 2 2 2( + π )K (19)
H ρ ρ d
1 2C1C 2
Sau khi xác định được vH ta gi ải ph ươ ng trình (13) v ới các thông s ố chi ều dày thu ốc n ổ
thay đổi. Ứng v ới m ỗi chi ều dày thu ốc n ổ và kích th ước c ụ th ể của ống kim lo ại bên ngoài mà
xác định giá tr ị c ực đại c ủa t ốc độ nổ và xác định tr ị số ∆R c ủa d ịch chuy ển m ặt trong c ủa ống
kim lo ại hàn nổ. So sánh giá tr ị cực đại này c ủa t ốc độ d ịch chuy ển s ẽ nh ận được v ới vH. Bài
toán s ẽ được hoán thánh khi đảm b ảo được điều ki ện sau:
dR 2 ( t ) ≥
v H 0 (20)
dt max
Nếu dR 2/dt max ≤ vH thì cần ph ải t ăng thêm chi ều d ầy lớp thu ốc n ổ và lặp l ại các thí
nghi ệm. Cu ối cùng, khi đã xác định được H, đồng th ời ta s ẽ xác định được ∆R t ối ưu.
50
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008
3.3. K ết qu ả th ực nghi ệm hàn n ổ t ạo phôi bimetal t ại Vi ện Nghiên c ứu C ơ khí
Mẫu thí nghi ệm sử dụng là lõi thép 45 và ống thép ШX15 l ồng vào nhau để hàn n ổ tr ước
khi b ọc thu ốc nổ cho trên hình 4 a, nhóm nghiên c ứu và NCS chu Nn b ị mẫu thí nghi ệm tại
tr ường n ổ ngoài tr ời của Công ty Hoá ch ất 13 - Tổng c ục Công nghi ệp Qu ốc phòng sau khi khi
bọc l ớp thu ốc n ổ - hình 4 b. Ch ế độ nổ ch ọn s ơ bộ trong kho ảng: r = 1,4 ÷ 1,8 ; h = 0,1 ÷ 0,5 và
C = 0,75 ÷ 1,0. Kết qu ả hàn n ổ theo m ột s ố ch ế độ quy ho ạch th ực nghi ệm t ạo phôi bimetal
dạng thanh thép 45 + thép ШX15 cho trên hình 5a.
Từ các phôi bimetal sau hàn n ổ nh ận được, cắt lấy m ẫu có dấu hi ệu bám dính c ủa ống
thép ШХ 15 và lõi thép 45 t ươ ng đối tốt. Để có đánh giá tổng quát về ch ất l ượng phôi bimetal
dạng tr ụ sau hàn n ổ, quy định chia m ỗi m ột phôi sau hàn n ổ thành 03 vùng cục bộ theo h ướng
nổ nh ư sau: ph ần đầu được tính t ừ mặt ti ếp giáp tr ực ti ếp c ủa ph ần thu ốc n ổ ph ụ để kích n ổ với
ph ần thu ốc n ổ ống hình tr ụ bọc ngoài ống thép h ợp kim (ký hi ệu là vùng 1), ti ếp đến là ph ần
gi ữa (ký hi ệu là vùng 2) và ph ần cu ối ti ếp giáp tr ực ti ếp v ới đế nổ (ký hi ệu là vùng 3). M ỗi m ột
phôi bimetal nh ận được sau hàn n ổ được cắt thành 03 đoạn khác nhau 1 – 2; 2 – 3 (m ỗi đoạn có
chi ều dài trung bình 60 mm) và 02 đoạn trung gian có chi ều dài 10 mm t ại nơi ti ếp giáp gi ữa các
đoạn nói trên để gia công thành các m ẫu th ử phá hu ỷ xác định độ bền bám dính 2 l ớp (hình 5b)
và mẫu nghiên c ứu c ấu trúc tế vi theo chi ều ngang và dọc theo h ướng nổ tươ ng ứng (hình 6a,b).
Kết qu ả th ử và tính toán mô ph ỏng s ố độ b ền bám dính 2 l ớp bimetal thép 45 + thép
ШX15 ngay sau khi hàn n ổ cho trên hình 7. Tõ c¸c ¶nh ®å tÝnh to¸n m« pháng trªn h×nh 7 cã thÓ
nhËn xÐt: ®é bÒn b¸m dÝnh 2 líp bimetal thÐp 45 + thÐp ШX15 chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c th«ng sè
ban ®Çu khi h n næ theo quy luËt phi tuyÕn. §−êng cong thùc nghiÖm cho thÊy, trong ph¹m vi
miÒn c¸c gi¸ trÞ lùa chän cña c¸c th«ng sè D, h, r khi h n næ chÊt l−îng b¸m dÝnh 2 l p bimetal
nãi trªn nh×n chung ®¹t yªu cÇu sö dông và ti ếp t ục ép ch ảy để biÕn d¹ng t¹o h×nh đến kích
th ước s¶n phÈm cuèi cïng.
a) b)
Hình 4. Chu n b ị m ẫu thí nghi ệm hàn n ổ bimetal d ạng thanh thép 45+ thép шх 15:
a) – Pakét ống thép h ợp kim b ọc phía ngoài lõi thép 45; b) NCS.Ph ạm V ăn Qu ế và
nhóm nghiên c ứu t ại hi ện tr ường n ổ (Công ty hoá ch ất 13- TCCN Qu ốc phòng)
51
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008
a) a)
b) b)
Hình 5. M ẫu thí nghi ệm bimetal thép 45 + thép Hình 6. M ẫu để kh ảo sát c ấu trúc t ế vi biên gi ới
шх 15 sau hàn n ổ (a) và s ơ đồ c ắt m ẫu giám định liên k ết 2 l ớp v ật li ệu bimetal thép 45 + thép
ch ất l ượng v ật li ệu (b) шх 15 sau hàn n ổ c ắt ngang (a) và c ắt d ọc
theo h ướng n ổ (b)
Hình 7. Kết qu ả tính toán mô ph ỏng s ố độ b ền bám dính 2 l ớp bimetal thép 45 + thép ШX15
bằng ph ần m ềm STATSTICA.
Phân tích k ết qu ả thí nghi ệm trên một số mẫu điển hình (hình 5) và ảnh đồ mô ph ỏng độ
bền bám dính 2 l ớp vật li ệu bimetal thép 45 + thép ШХ 15 sau hàn nổ (hình 7), ta có th ể rút ra
kết lu ận sau:
52
T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008
1) Hi ện t ượng ống thép h ợp kim ШХ 15 t ại 03 vùng khác nhau c ủa phôi bimetal sau hàn
nổ bị bi ến d ạng tóp vào trong theo chu vi đường kính c ủa nó không đều d ọc theo h ướng n ổ quan
sát th ấy trên toàn b ộ các m ẫu thí nghi ệm, nh ưng ở các mức độ co ngang tươ ng đối khác nhau
(3,0 ÷ 4,5 % so v ới kích th ước danh ngh ĩa đường kính ngoài). Nguyên nhân có th ể được gi ải
thích bởi quan điểm của chúng tôi theo nguyên lý hình h ọc trên s ơ đồ nổ (hình 2) cho r ằng: M ặt
phân cách n ổ theo đường sinh t ừ ph ần chóp nón c ủa thu ốc n ổ ph ụ kích nổ ở th ời điểm bắt đầu
hàn ống thép hợp kim v ới lõi thép 45 (t ừ điểm kích nổ O đến điểm gãy uốn A) sang ph ần thu ốc
nổ chính có dạng ống hình tr ụ đã thay đổi khá rõ rệt (t ừ điểm gãy uốn A đến điểm bị ch ặn bởi đế
nổ B), còn ở th ời điểm cu ối quá trình nổ - thay đổi rất đột ng ột (t ại điểm B ti ếp giáp tr ực ti ếp
gi ữa ph ần cu ối phôi n ổ với đế nổ). Do v ậy, có th ể cho r ằng quá trình n ổ t ại th ời điểm b ắt đầu đi
vào vùng 1 và th ời điểm đi ra kh ỏi vùng 3 c ủa phôi n ổ (hình 6 a) có s ự m ất ổn định nào đó, làm cho
một ph ần v ật li ệu ống thép h ợp kim bên ngoài không đạt được m ức độ bi ến d ạng d ẻo h ướng kính
cao nh ư tại vùng 2 ở ph ần gi ữa phôi n ổ. Tại ph ần 2 c ủa phôi n ổ: quan điểm c ủa chúng tôi cho r ằng
quá trình n ổ x Ny ra t ươ ng đối ổn định vì m ặt phân cách n ổ không b ị ảnh h ưởng c ủa nh ư tại các điểm
đặc tr ưng A và B nói trên. M ặt khác, t ừ lý thuy ết hàn n ổ ta có v ới các ch ế độ n ổ khác nhau, thì d ưới
tác d ụng c ủa n ăng l ượng n ổ va đập truy ền vào ống thép h ợp kim hình tr ụ và làm cho l ượng bi ến
dạng d ẻo c ủa nó theo h ướng kính và d ọc đường sinh hình tr ụ s ẽ ở các m ức độ khác nhau;
2) Khi các thông s ố r và C t ăng, kh ả năng bám dính của ống thép hợp kim ШХ15 v ới lõi
thép n ền 45 có xu h ướng t ăng t ỷ lệ thu ận so v ới r và C. M ức độ ảnh h ưởng c ủa chúng t ới độ bền
bám dính 2 l ớp kim lo ại hàn có th ể được xác định, nh ờ vi ệc xây dựng mô hình toán h ọc mô tả sự
ảnh hưởng tươ ng tác đồng th ời của 3 thông s ố hàn n ổ đã ch ọn trong vùng bi ến thiên kh ảo sát
trong lô thí nghi ệm theo quy ho ạch đầy đủ (N= 3 3);
3) Khi thông s ố h t ăng, kh ả n ăng bám dính c ủa ống thép h ợp kim ШХ 15 với lõi thép nền
45 có xu h ướng tăng t ỷ lệ ngh ịch so v ới h. Mức độ ảnh h ưởng c ủa nó tớí độ bền bám dính 2 l ớp
kim lo ại hàn có th ể được xác định nh ờ vi ệc xác l ập mô hình toán h ọc mô tả sự ảnh h ưởng c ủa 3
thông s ố hàn n ổ đã ch ọn trong vùng bi ến thiên kh ảo sát trong lô thí nghiệm theo quy ho ạch đầy
đủ tươ ng t ự nh ư đối với hai thông s ố r và C.
Trên các hình 8 ÷ 11 th ể hi ện các ảnh ch ụp c ấu trúc t ế vi vùng biên gi ới liên k ết bimetal
thép 45 + thép ШХ 15 nh ận được ngay sau khi hàn n ổ và ch ưa qua bi ến d ạng d ẻo ( εΣ = 0 %),
mẫu không qua nhi ệt luy ện được kh ảo sát theo m ặt cắt ngang phôi n ổ, còn trên hình 12 là ảnh
ch ụp cấu trúc biên gi ới 2 l ớp kh ảo sát dọc theo h ướng nổ.
↑ ThÐp 45 ↑
Biªn giíi
← →
↓ ШХ 15 ↓
H×nh 8. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp H×nh 9. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp
mẫu s ố 2 (MS: 020), hàn n ổ ở ch ế độ mẫu s ố 4 (MS: 122), hàn n ổ ở ch ế độ: r =
r = 1,4; h = 0,5; C = 0,75. 1,6; h = 0,5; C =1,0.
53
Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008
↑ ThÐp 45 ↑
Biªn giíi
← →
↓ ШХ 15 ↓
Hình 10. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên giới hai Hình 11. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp
lớp m ẫu s ố 5 (MS: 111), hàn n ổ ở ch ế độ: m ẫ u s ố 15 (MS: 121), hàn n ổ ở ch ế độ:
r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875. r = 1,6; h = 0,3; C = 0,875.
Phân tích k ết qu ả nghiên c ứu và ch ụp
↑ ThÐp 45 ↑
ảnh c ấu trúc t ế vi biên gi ới liên k ết 2 l ớp
một s ố m ẫu bimetal điển hình cho th ấy:
Biªn giíi nhìn chung trong vùng lân c ận m ối hàn
← → gi ữa l ớp thép h ợp kim ШХ 15 và l ớp thép
nền 45 có quan sát th ấy t ươ ng đối ít t ạp
ch ất đúc nóng ch ảy, nh ưng ở m ức độ ít
hơn r ất nhi ều so v ới các m ẫu thí nghi ệm
↓ ↓
ШХ 15 th ăm dò công ngh ệ. Biên d ạng sóng liên
kết gi ữa 2 l ớp kim lo ại hàn n ổ có tính
Hình 1 2. Ảnh ch ụp c ấu trúc biên gi ới hai l ớp m ẫu s ố 15
(MS: 121), hàn n ổ ở ch ế độ: r = 1,6; h = 0,3; ch ấ t đặ c tr ưng c ủa công ngh ệ hàn n ổ nh ư
C = 0,875 (d ọc theo h ướng n ổ). đối v ới bimetal d ạng t ấm ph ẳng.
Điều này có th ể được gi ải thích b ởi quan điểm cho r ằng: do có t ổng bi ến d ạng co ngang theo
hướng kính c ủa ống thép h ợp kim d ưới tác d ụng c ủa áp su ất va đậ p cao khi hàn n ổ, ngoài s ự va
đập d ọc theo h ướng n ổ (d ọc đường sinh hình tr ụ) t ạo ra thành ph ần bi ến d ạng d ọc h ướng n ổ, còn
có thành ph ần bi ến d ạng theo h ướng kính. Xét trên m ặt c ắt ngang phôi n ổ t ại m ột th ời điểm nào
đó thì chính bi ến d ạng co ngang này có th ể là nguyên nhân ch ủ y ếu thúc đN y s ự gia t ăng các
thông s ố sóng liên k ết do có s ự tr ượt nén t ươ ng đối gi ữa b ề m ặt ti ếp xúc ống thép h ợp kim v ới
bề m ặt ti ếp xúc lõi thép các bon. Biên độ và b ước sóng liên k ết 2 l ớp kim lo ại hàn n ổ trong m ặt
cắt ngang phôi n ổ có xu h ướng l ớn h ơn so v ới các thông s ố sóng liên k ết t ươ ng ứng d ọc theo
hướng n ổ ( đường sinh hình tr ụ t ại b ề m ặt phân cách 2 l ớp).
Cấu trúc t ế vi biên gi ới liên k ết gi ữa l ớp thép 45 v ới l ớp thép ШХ 15 kh ảo sát trên m ẫu
cắt dọc theo h ướng nổ tại ph ần gi ữa phôi n ổ (hình 6 b) được th ể hi ện trên hình 12 có biên d ạng
sóng âm đều đặc tr ưng c ủa công ngh ệ hàn nổ,điều này minh ch ứng cho m ức ch ất lượng mối hàn
là do quy định bởi độ ổn định quá trình nổ trong phân vùng 2 nh ư đã nêu trên. Đối với các ch ế
độ nổ thích hợp (m ẫu số 5 và mẫu số 15) biên gi ới liên k ết 2 l ớp vật li ệu bimetal sau hàn nổ rất
ít tạp ch ất, điều đó đảm bảo ch ất lượng bám dính gi ữa chúng rất cao, v ật li ệu có th ể sử dụng
ngay ở tr ạng thái sau hàn nổ mà không c ần qua gia công bi ến dạng dẻo.
54
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tao_lop_phu_thep_hop_kim_tren_be_mat_chi_tiet_dang_tru_bang.pdf