BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH TOẠI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH TOẠI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ HÀN LIÊN KẾT NHÔM - THÉP BẰNG QUÁ TRÌNH HÀN TIG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Hoàng Tùng 2. PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác! Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014 Người cam đoan Vũ Đình Toại TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Hoàng Tùng PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà i LỜI CÁM ƠN Tác giả chân thành cám ơn PGS. TS. Hoàng Tùng và PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà, đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Cơ khí hàn - Khoa Cơ khí và Trung tâm Thực hành - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (trong đó đặc biệt là ThS. Vũ Văn Ba và KS. Vũ Văn Đạt – người trực tiếp thí nghiệm) đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất phục vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và kiểm tra cơ tính liên kết hàn nhôm – thép tại đây. Tác giả trân trọng cám ơn ThS. Trần Thị Xuân - Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình đo độ cứng và chụp ảnh cấu trúc tế vi liên kết hàn nhôm – thép mà tác giả nghiên cứu ra. Tác giả trân trọng cám ơn Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử & Vi phân tích - Viện Tiên tiến Khoa học & Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình chụp ảnh cấu trúc siêu tế vi và phân tích thành phần nguyên tố trong liên kết hàn nhôm – thép bằng các kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS/EDX). Tác giả trân trọng cám ơn các bạn thân hữu và các đồng nghiệp trong Bộ môn Hàn & Công nghệ Kim loại - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án này. Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ tác giả cùng toàn thể các thành viên trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện về tài chính và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình tác giả nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả luận án Vũ Đình Toại ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1. TỔNG QUAN VỀ HÀN NHÔM VỚI THÉP 1.1. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 1.3. Kết luận chương 1 2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 2.1. Mục đích 2.2. Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn TIG 2.2.1. Ứng xử của nhôm AA1100 khi hàn TIG 2.2.1.1. Tính hàn của nhôm AA1100 2.2.1.2. Vấn đề nứt liên quan đến việc chọn vật liệu hàn nhôm 2.2.1.3. Công nghệ hàn nhôm AA1100 bằng quá trình hàn TIG 2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG 2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38 2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại 2.3.1. Đặc điểm khi hàn các vật liệu khác chủng loại 2.3.2. Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn 2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhôm - thép 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 2.3.4.2. Ảnh hưởng của độ sạch bề mặt chi tiết hàn 2.3.4.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn 2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm - thép bằng quá trình hàn TIG 2.4. Kết luận chương 2 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T 3.1. Mục đích 3.2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu 3.2.1. Số hóa phương trình truyền nhiệt khi hàn 3.2.2. Xây dựng ma trận dòng nhiệt 3.2.3. Xây dựng ma trận kết cấu 3.2.4. Thiết lập bài toán đa trường nhiệt - kết cấu 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 3.3.1.1. Bài toán tối ưu trong thiết kế kết cấu 3.3.1.2. Mô hình liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 3.3.2. Xác định kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 3.3.2.1. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T Trang vi xi xii 1 5 5 6 17 18 18 18 18 18 21 21 23 23 23 24 24 26 28 32 32 32 33 36 38 40 40 40 40 41 42 44 45 45 45 49 51 iii ở phương án thiết kế sơ bộ 3.3.2.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước của liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng chữ T 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 3.4.1.1. Mô hình hóa nguồn nhiệt hàn TIG 3.4.1.2. Mô hình các thuộc tính của vật liệu 3.4.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng 3.4.2. Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép dạng 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 3.4.2.2. Trường nhiệt độ phân bố trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 3.4.2.3. Chu trình nhiệt và thời gian khuếch tán kim loại tại một số vị trí khảo sát quan trọng 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 3.4.3.2. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian khuếch tán hiệu quả 3.4.3.3. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến thời gian đông đặc của mối hàn 3.4.4. Phân bố ứng suất và biến dạng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 3.5. Kết luận chương 3 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG CHỮ T 4.1. Mục đích 4.2. Trang thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Thiết bị hàn 4.2.2. Đồ gá hàn 4.2.3. Các trang thiết bị phụ trợ 4.3. Mẫu thí nghiệm 4.3.1. Vật liệu mẫu hàn và dây hàn 4.3.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 4.4. Xây dựng thí nghiệm 4.4.1. Sơ đồ gá kẹp mẫu thí nghiệm 4.4.2. Các chế độ và quy trình thí nghiệm 4.5. Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 4.5.1. Thử kéo và bẻ liên kết hàn 4.5.2. Các trang thiết bị dùng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàn 4.6. Kết luận chương 4 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 5.1. Ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng liên kết 5.2. Hiện tượng nứt trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 5.3. Các dạng khuyết tật khác có thể xuất hiện trong liên kết hàn hybrid 51 52 56 56 56 57 59 62 62 63 66 69 69 70 72 72 74 75 75 75 75 76 77 78 78 78 79 79 79 81 81 83 85 86 86 88 iv nhôm - thép dạng chữ T 5.4. Kết quả kiểm tra bền liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.5. Cấu trúc thô đại của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.6. Cấu trúc tế vi của liên kết hàn hybrid nhôm - thép chữ T 5.6.1. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm nhôm AA1100 5.6.2. Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và tấm thép CCT38 5.7. Độ cứng trong liên kết hàn hybrid nhôm - thép 5.7.1. Độ cứng tại vùng liên kết không có lớp IMC 5.7.2. Độ cứng tại vùng liên kết có lớp IMC 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 5.8.1. Cấu trúc siêu tế vi dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 5.8.2. Phân tích thành phần nguyên tố bằng kỹ thuật EDS 5.9. Nghiên cứu quá trình khuếch tán kim loại trong liên kết hàn nhôm - thép bằng phổ tán sắc năng lượng tia X 5.9.1. Khuếch tán kim loại tại vùng không chứa lớp IMC 5.9.2. Khuếch tán kim loại tại vùng có lớp IMC 5.10. Kết luận chương 5 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 88 90 92 92 92 93 94 94 95 95 95 97 98 98 101 104 105 106 110 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi Ký hiệu / Viết tắt Đơn vị Ý nghĩa q [J] Lượng nhiệt sinh ra của một đơn vị thể tích q [J] Dòng nhiệt truyền qua bề mặt đang xét Ma trận nhiệt dung riêng của phần tử Ma trận hệ số dẫn nhiệt của phần tử Ma trận hệ số khuếch tán nhiệt của phần tử Ma trận hệ số truyền nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử Véc tơ lưu lượng nhiệt của phần tử Véc tơ dòng nhiệt đối lưu qua bề mặt của phần tử Véc tơ tải trọng sinh nhiệt của phần tử Ma trận khối lượng của phần tử Ma trận độ cứng của phần tử vii [N] Ma trận hàm hình dáng của phần tử hữu hạn [Nn] Ma trận hàm hình dáng của pháp tuyến động tại bề mặt chịu tải {} Véc tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt {∑} Véc tơ biến dạng tổng thể {⌠} Véc tơ ứng suất {∑el} Véc tơ biến dạng đàn hồi {∑th} Véc tơ biến dạng nhiệt T {u} Véc tơ vi phân chuyển vị {Fa} Véc tơ tải trọng {L} Véc tơ cột (gradient) {p} Véc tơ tải áp lực {q} Véc tơ dòng nhiệt {Te} Véc tơ nhiệt độ nút phần tử {u} . trong mối hàn 2.3.5. Chọn vật liệu để hàn liên kết hybrid nhôm - thép bằng quá trình hàn TIG 2.4. Kết luận chương 2 3. MÔ PHỎNG SỐ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ HÀN TIG LIÊN KẾT HYBRID NHÔM - THÉP DẠNG. AA1100 bằng quá trình hàn TIG 2.2.2. Ứng xử của thép CCT38 khi hàn TIG 2.2.2.1. Tính hàn của thép CCT38 2.2.2.2. Công nghệ hàn thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG 2.3. Công nghệ hàn các vật liệu khác. nhôm- thép bằng hàn tổ hợp Laser+MIG Hình 1.9 Nguyên lý hàn MIG và liên kết chồng nhôm- thép thực hiện bằng hàn MIG Hình 1.10 Nguyên lý hàn TIG & liên kết nhôm- thép thực hiện bằng hàn TIG Hình