Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để chế tạo tấm vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm - thép kích thước lớn phục vụ cho công nghiệp đóng tàu

Trong đóng tàu hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến và có rất nhiều ưu điểm nổi bật như giảm khối lượng của tàu, tăng tính cơ động và khả năng tác chiến của tàu quân sự, không nhiễm từ, chống gỉ rất tốt và có độ bền tương đối cao. Sử dụng vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép cho phép giảm độ phức tạp và giảm thời gian khi chế tạo các kết cấu tàu, tăng độ bền, thời gian sử dụng và tăng tính chịu ăn mòn của kết cấu; cho phép sử dụng các phương pháp hàn nóng chảy hiện có tại các nhà máy đóng tàu để hàn các kết cấu nhôm, hợp kim nhôm với thép. Ngoài ra, vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép còn được ứng dụng để đóng các loại tàu phục vụ kinh tế dân sinh, kỹ thuật tên lửa, năng lượng điện, dầu khí, kỹ thuật lạnh, chân không v.v... Tuy nhiên, khi sử dụng hợp kim nhôm trong đóng tàu, một vấn đề đặt ra là phải hàn hợp kim nhôm với thân vỏ tàu và kết cấu bằng thép, mối hàn phải đảm bảo độ bền, ổn định của kết cấu hàn.

Các nghiên cứu và thực tế sử dụng cho thấy liên kết dạng đinh tán rivê không có độ tin cậy cao và độ bền thấp. Ngoài ra, dưới sự tác động của môi trường biển thì chỗ ghép nối bằng đinh tán rivê nhanh chóng bị ăn mòn. Sau 2-5 năm sử dụng cần phải tiến hành sửa chữa các chỗ ghép nối bằng đinh tán rivê. Giải pháp hàn thép với hợp kim nhôm sử dụng thanh hoặc kết cấu trung gian bằng vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép là hiệu quả hơn so với phương pháp đinh tán rivê. Phần hợp kim nhôm được hàn với lớp hợp kim nhôm của vật liệu composite hợp nhôm-thép, còn phần kết cấu thép – được hàn với lớp thép của vật liệu composite hợp kim nhôm-thép.

Hiện tại, Việt Nam chưa chế tạo được tấm kích thước lớn do những khó khăn, vướng mắc về kỹ thuật và công nghệ. Chính vì vậy, để rút ngắn thời gian và tiết kiệm kinh phí nghiên cứu để chế tạo được vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép, nhóm nghiên cứu do TS. Nguyễn Ngọc Hưng, Viện công nghệ, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng đứng đầu đã hợp tác quốc tế theo Nghị định thư với LB Nga để thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để chế tạo tấm vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm - thép kích thước lớn phục vụ cho công nghiệp đóng tàu” nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ chế tạo tấm vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép kích thước lớn đạt yêu cầu kỹ thuật dùng trong công nghiệp đóng tàu và đề xuất các giải pháp công nghệ sử dụng hợp lý vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép để hàn các dạng kết cấu thép với kết cấu nhôm.

Sau thời gian 24 tháng thực hiện, đề tài đã đạt được một số kết quả chính như sau:

1. Đã phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn nổ và vật liệu được chế tạo trong nước và trên thế giới khẳng định tính tiên tiến, ưu việt của hàn nổ so với các phương pháp khác; khẳng định về năng lực hiện có về hạ tầng kỹ thuật nổ, vật lý nổ, các nghiên cứu ứng dụng hàn nổ và khoa học-công nghệ khác có liên quan để có thể triển khai nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn nổ ở quy mô công nghiệp tại nước ta.

2. Trên cơ sở hợp tác quốc tế với LB Nga, nhóm đề tài đã tiếp thu được các cơ sở khoa học về hàn nổ, kinh nghiệm và bí quyết công nghệ khi hàn nổ tấm lớn, các thành tựu đạt về sử dụng công nghệ hàn nổ trong công nghiệp và các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép.

3. Về nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp thuốc nổ cho hàn nổ:

- Đã tiến hành đo đạc các thông số của thuốc nổ (tốc độ nổ, khối lượng riêng đong) phụ thuộc vào hàm lượng TNT và thành phần thuốc nổ.

- Đã lựa chọn được hỗn hợp thuốc nổ công nghiệp NH4NO3+TNT cho hàn nổ. Để hàn nổ nhôm, hợp kim nhôm với thép đã lựa chọn hỗn hợp thuốc nổ NH4NO3+TNT với TNT chiếm 6-8% về khối lượng, đảm bảo tốc độ nổ từ 2000-2200 m/s khi chiều cao khối thuốc nổ từ 20-40mm.

- Đã xây dựng QTCN phối trộn hỗn hợp thuốc nổ trên cơ sở các loại nguyên liệu hiện đang sử dụng cho sản xuất các loại thuốc công nghiệp đảm bảo thu được tốc độ nổ phù hợp để hàn nổ nhôm, hợp kim nhôm với thép.

- Áp dụng được các mô hình và công thức tính toán các tham số hàn nổ đã được nghiên cứu ứng dụng tại LB Nga cho hỗn hợp thuốc nổ NH4NO3+TNT được sản xuất tại nước ta.

4. Đã thử nghiệm hàn nổ chế tạo vật liệu composite hai lớp nhôm (hợp kim nhôm)+thép và ba lớp hợp kim nhôm+nhôm+thép theo hai sơ đồ (hàn nổ từng lớp một và hàn nổ đồng thời ba lớp)

5. Lần đầu tiên tiến hành thử nghiệm hàn nổ chế tạo tấm vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép kích thước lớn tại Việt Nam: chiều dày lớp nhôm (6-14)mm; chiều dày lớp thép (10-20)mm; chiều rộng tấm composite 1200-1300mm; chiều dài tấm composite đến 2000mm. Sự thay đổi độ bền liên kết theo chiều dài tấm composite tính từ điểm kích nổ không lớn và đạt giá trị theo yêu cầu. Độ bền kéo đứt lớp giữa nhôm và thép đạt 120-150 MPa khi hàn nổ hai lớp và từ 100-105 MPa khi hàn nổ đồng thời ba lớp; độ bền cắt đứt lớp đạt 62-80 MPa; vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép có tính dẻo tốt (theo kết quả thử nghiệm uốn).

6. Đã tiến hành hàn thử nghiệm hàn nối hợp kim nhôm với thép sử dụng thanh vật liệu composite dạng lớp hợp kim nhôm-thép và ứng dụng thử nghiệm vật liệu composite dạng lớp nhôm-thép cho một số kết cấu tàu thủy. Kết quả thử nghiệm cho kết quả tốt, có thể mở rộng ứng dụng composite dạng lớp nhôm-thép đã chế tạo trong đóng tàu thủy vàxe chuyên dụng thông tin (thùng vỏ nhôm, khung gầm thép).

Như vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn thông tin cần thiết giúp cho các nhà khoa học và cơ quan quản lý khoa học định hướng phát triển một hướng khoa học công nghệ. Việc chủ động chế tạo các loại vật liệu composite dạng lớp nhôm-thép sẽ góp phần phát triển khoa học-kỹ thuật quân sự, hiện đại hóa vũ khí, trang bị, góp phần xây dựng quân đội hùng mạnh, mang lại lợi ích kinh tế cao không chỉ cho Công nghiệp quốc phòng mà còn cho cả nền kinh tế quốc dân.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16645/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)