Hàn vẩy bạc cho nhôm–đồng bằng công nghệ hàn MIG

Nội dung text: Hàn vẩy bạc cho nhôm–đồng bằng công nghệ hàn MIG

1. HÀN VẨY BẠC CHO NHÔM – ĐỒNG BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN MIG NGUYỄN HOÀI NAM Học viên lớp Công nghệ chế tạo máy khóa 2011 - 2013 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống xã hội, đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có nhiều tính chất khác nhau. Chẳng hạn, khi cần sử dụng các loại vật liệu có tính dẫn điện rất cao để dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nhưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không, Và khi muốn liên kết các vật liệu khác nhau với nhau trong nhiều trường hợp cần thiết người ta sử dụng rất nhiều phương pháp như rèn, đúc, hàn Đối với công nghệ hàn hiện nay, việc nối ghép hai chi tiết cùng loại vật liệu với nhau được thực hiện khá dễ dàng kể cả kim loại và hợp kim màu. Việc nối ghép có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau như hàn nóng chảy, hàn áp lực, hàn vẩy, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế tạo kết cấu mới. Tuy nhiên, trong lĩnh vực sửa chữa, thay thế đòi hỏi phải liên kết được các vật liệu có tính chất khác nhau với nhau nhưng vẫn đảm bảo cơ tính và một số tính chất khác cần thiết cho mục đích sử dụng. Từ nhu cầu thực tế hiện nay, việc kết nối hai vật liệu khác nhau để làm thanh dẫn điện, cụ thể là đồng Cu và nhôm Al là hết sức khó khăn vì việc kết nối hai thanh dẫn bằng vật liệu đồng và nhôm để làm thanh dẫn điện phải đảm bảo được độ bám dính và điện trở giữa chúng. Để nối 2 thanh dẫn điện bằng vật liệu đồng và nhôm, người ta có thể nối bằng phương pháp cơ khí (bu lông) hoặc phương pháp hàn với nhau. Tuy nhiên, khi nối bằng phương pháp cơ khí, thì điện trở chỗ tiếp nối sẽ tăng khi có dòng điện lớn đi qua gây ra hiện tượng phóng điện và bị chảy tại chỗ tiếp nối giữa hai thanh đồng và nhôm. Đối với phương pháp hàn, khi thực hiện hàn hai thanh Cu và Al bằng các phương pháp hàn nóng chảy, hàn tiếp xúc đều khó thực hiện vì nhôm Al có tốc độ oxi hóa quá nhanh ở nhiệt độ cao nên kim loại hàn khó dính kết với nhau. Còn đối với phương pháp hàn vẩy, thì có hàn vẩy mềm và hàn vẩy cứng. Đối với hàn vẩy mềm với kim loại phụ là hợp kim chì thiếc không đảm bảo độ bền mối hàn khi vật hàn là Cu và Al; còn với hàn vẫy cứng thì trước nay người ta chỉ hàn 2 thanh cùng kim loại với nhau
2. (Cu-Cu, Al-Al) với kim loại hàn là (Cu-Zn, Cu-Ag) thì kim loại hàn rất dễ bám dính với nhau đối với hàn vẩy cứng thông thường nhưng khi hàn Cu-Al thì rất khó bám dính. Khi đó thực hiện phương pháp hàn vẩy cứng nhưng vẩy hàn phải có bạc với phương pháp tẩy rửa vật hàn tương đối phức tạp (oxit hóa Al). Kết quả sử dụng kim loại hàn là hợp kim Cu-Ag để hàn với phương pháp tẩy rửa phức tạp. Trong phạm vi của đề tài sẽ chọn phương pháp hàn vẩy để hàn các vật liệu có tính chất khác nhau với nhau, cụ thể là vật liệu đồng và vật liệu nhôm. Sau đó, tiến hành kiểm tra độ dẫn điện của mối hàn so với vật liệu cơ bản, trong đó sẽ chú trọng đến kim loại cơ bản có độ dẫn điện cao hơn. Thành công của đề tài sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành khoa học hàn trong nước cũng như việc ứng dụng công nghệ hàn mới này trong sản xuất công nghiệp. - Mẫu nhôm 100 x 25 x 5 trong thí nghiệm với thành phần hóa học trình bày trong Bảng 1 và tổ chức tế vi thể hiện trong Hình 1. Bảng 1. Bảng thành phần hóa học của mẫu nhôm được phân tích bằng thiết bị quang phổ loại Spectro LAT tại Công ty YNG HUA VN Nguyên tố Al Cu Zn Fe Mg Pb Mn Si Thành phần 98,6 0,0161 0,0419 0,183 0,602 0,0021 0,0481 0,406 hóa học (%) (a) Vị trí c, 100X (b) Vị trí b, 400X Hình 1. Tổ chức tế vi của mẫu nhôm được chụp bằng kính hiển vi IMS 300 tại Phòng thí nghiệm Vật liệu - Bộ môn Công nghệ Kim loại - Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Mẫu đồng 100 x 25 x 5 trong thí nghiệm với thành phần hóa học trình bày trong Bảng 2 và tổ chức tế vi thể hiện trong Hình 2.
3. Bảng 2. Bảng thành phần hóa học của mẫu đồng được phân tích bằng thiết bị quang phổ Bruker-S1 tại Nhà máy thép Tôn Phương Nam Nguyên tố Cu Al Zn Fe Mg Pb Rh Thành phần > 4,92 < 13,0 81,76 0,211 0,0019 0,037 5,235 hóa học (%) (a) Vị trí c, 100X (b) Vị trí b, 400X Hình 2. Tổ chức tế vi của mẫu đồng được chụp bằng kính hiển vi IMS 300 tại Phòng thí nghiệm Vật liệu - Bộ môn Công nghệ Kim loại - Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Căn cứ vào kết quả phân tích công nghệ hàn vẩy và đặc điểm của vật hàn cần hàn là nhôm và đồng, thông số thực nghiệm như sau: - Thiết bị: Máy hàn MIG, Miller Syncrowave 250 DX (Mỹ) - Cường độ dòng điện: (40-50) A - Điện áp hàn: 12 V - Góc nghiêng mỏ hàn là 45o so với mặt phẳng chứa vật hàn; Góc chuyển động của mỏ hàn là 70º và của que hàn phụ là 20º so với mặt phẳng của vật hàn - Phương pháp hàn phải - Kim loại phụ: que hàn bạc (Cu-Ag) - Điện cực hàn: WT20, 2.4 - Tốc độ hàn 200 mm/phút - Môi trường khí bảo vệ là khí Argon với lưu lượng 10 lít/ phút Trước khi thực hiện mối hàn vẩy nhôm - đồng, ta tiến hành khử lớp oxit hóa nhôm bằng dung dịch zincat (25÷30) g/l ZnO, xút ăn da (120÷140) g/l ở nhiệt độ (15÷25) oC trong (30÷40) giây và lắc liên tục. Rửa bằng nước lạnh rồi tẩm thực trong dung dịch (10÷20)% HNO3 trong (10÷20) giây.
4. Hình 3. Phương án nối ghép hàn vẩy nhôm – đồng Kết quả thực nghiệm Hình 4. Mối ghép hàn vẩy nhôm – đồng thực nghiệm Bảng 3. Kết quả kiểm tra điện trở bằng thiết bị CROPICO MicroMeter DO5000 tại Công ty CADIVI Khối Nhiệt lượng Q (J) Thời gian t (ngày) Điện trở Stt Mẫu lượng R (mΩ) 400 oC 660 oC 400 oC 660 oC (kg) Mẫu 1 0,0152 1371 2308 1 0,020 6916 11648 (Mẫu nhôm) 0,0180 1158 1950 Mẫu 2 0,0147 3796 6395 2 0,125 18525 31200 (Mẫu đồng) 0,0099 5642 9500 Mẫu 3 3 0,055 0,0265 13585 22880 1542 2600 (Mẫu hàn vẩy) Từ kết quả thử nghiệm điện trở thực tế, tính toán nhiệt lượng và thời gian làm việc của các mẫu, kết quả mẫu hàn đồng - nhôm vẫn đảm bảo khả năng dẫn điện trong quá trình làm việc.
5. Mẫu 3.1 Mẫu 3.2 Hình 5. Biểu đồ kéo của mẫu 3.1 & mẫu 3.2 Bảng 4. Kết quả kiểm tra độ bền kéo mẫu hàn vẫy Al – Cu bẳng thiết bị Instron 3367 – Đại học Nông Lâm TPHCM Giới hạn Chiều dày Chiều rộng STT Mẫu Lực kéo F, kgf bền kéo σb, (mm) (mm) MPa 1 Mẫu 3.1 5 25 277,3 22,2 2 Mẫu 3.2 5 25 209,9 16,8 Kết luận Từ những nội dung phân tích các số liệu về độ bền và độ bám dính mối hàn, điện trở truyền qua mối hàn từ đó ta tính được nhiệt lượng tỏa ra trên mối hàn trong quá trình truyền điện, tác giả đã rút ra kết luận: ta có thể thực hiện kết dính giữa thanh đồng và thanh nhôm với nhau bằng phương pháp hàn vẩy bằng công nghệ hàn MIG được ứng dụng để thay thế thanh đồng bằng thanh nhôm mà tiếp điểm vẫn là thanh đồng để làm thanh dẫn điện Tài liệu tham khảo: [1] Trương Công Đạt, Kỹ thuật hàn, NXB Công nhân Kỹ thuật Hà Nội -1977 [2] Nguyễn Văn Tuế, Sổ tay Kỹ thuật mạ, NXB Công nhân Kỹ thuật Hà Nội - 1984 [3] Nghiêm Hùng, Kim loại học và Nhiệt luyện, NXB Giáo dục - 1993 [4] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn nóng chảy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - 2001
6. [5] PGS.TS Hoàng Trọng Bá, Giáo trình Vật liệu cơ khí, Tủ sách trường Cao đẳng Kỹ thuật và Công nghệ 2008 [6] Vũ Đình Toại, PGS. TS. Hoàng Tùng, PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà, 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. [7] The ASM International Alloy Phase Diagram and the Handbook Committees, ASM Metals Handbook Volume 03 - Alloy Phase Diagrams – 1992 [8] Mukuna P. Mubiayi. Member, IAENG and Esther T. Akinlabi, Member, IAENG, Friction Stir Welding of Dissimilar Materials between Aluminium Alloys and Copper, Proceedings of the World Congress on Engineering 2013 Vol III, WCE 2013, July 3 - 5, 2013, London, U.K. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN PGS. TS Hoàng Trọng Bá Nguyễn Hoài Nam
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.