Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo cốt nối Cu/Al từ tấm bimetal

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu chế tạo cốt nối xong song cu al từ tấm bimetal cu al, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Đặng Tiến Thức
• Người hướng dẫn: T.S Phan Thanh Nhàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo cốt nối song song Cu/Al từ tấm Bimetal Cu/Al
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 1.3.1. Mục tiêu chung
• 1.3.2. Mục tiêu cụ thể
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu
• 2. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TẤM BIMETAL Cu/Al
• 2.1. Tổng quan về tấm Bimetal Cu/Al
• 2.2. Các ứng dụng của Tấm bimetal Cu/Al
• 2.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.4. Đối tượng nghiên cứu
• 2.5. Nội dung nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHẾ TẠO CỐT NỐI SONG SONG Cu/Al TỪ TẤM BIMETAL Cu/Al VÀ QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Chế tạo khuôn dập và quy cách dập
• 3.1.1. Thiết kế khuôn
• 3.1.2. Chế tạo và gia công khuôn
• 3.1.3. Quy cách dập chi tiết
• 3.2. Quá trình thí nghiệm kiểm tra chất lượng mối hàn trước khi dập
• 3.2.1. Các thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm
• 3.2.2. Quá trình thí nghiệm
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả dập cốt nối của mối hàn
• 4.2. Tổ chức tế vi của mối hàn
• 4.3. Phân bố độ cứng trong mối hàn
• 4.4. Độ bền kéo của mối hàn
• 4.5. Độ bền uốn của mối hàn
• 4.6. Độ bền va đập của mối hàn
• 4.7. Kiểm tra vết nứt của mối hàn
• 4.8. Kiểm tra hệ số dẫn điện
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hướng nghiên cứu mới
• 5.2. Nghiên cứu ứng dụng
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo cốt nối Cu Al từ tấm bimetal

Nghiên cứu chế tạo cốt nối song song Cu/Al từ tấm bimetal là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp điện. Cốt nối này không chỉ giúp tăng cường khả năng dẫn điện mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Tấm bimetal Cu/Al được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện nhờ vào tính chất vượt trội của nó. Việc nghiên cứu và phát triển cốt nối này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành điện Việt Nam.

1.1. Đặc điểm của tấm bimetal Cu Al

Tấm bimetal Cu/Al được chế tạo từ hai loại kim loại chính là đồng và nhôm. Đồng có điện trở thấp, trong khi nhôm nhẹ và có khả năng chống ăn mòn tốt. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu có tính chất cơ học và điện tốt hơn, phù hợp cho các ứng dụng trong ngành điện.

1.2. Lợi ích của cốt nối bimetal trong ngành điện

Cốt nối bimetal giúp tăng cường khả năng dẫn điện giữa các thiết bị điện, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc sử dụng cốt nối này còn giúp cải thiện độ bền và tuổi thọ của các thiết bị điện, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

II. Vấn đề và thách thức trong chế tạo cốt nối Cu Al

Chế tạo cốt nối từ hai kim loại khác nhau như đồng và nhôm gặp nhiều thách thức do sự khác biệt về tính chất vật liệu. Các vấn đề như độ bền, khả năng dẫn điện và sự ăn mòn cần được giải quyết để đảm bảo chất lượng của cốt nối. Việc nghiên cứu các phương pháp chế tạo hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Khó khăn trong việc hàn đồng và nhôm

Hàn đồng và nhôm là một thách thức lớn do sự khác biệt về nhiệt độ nóng chảy và tính chất cơ học của hai kim loại này. Việc áp dụng các phương pháp hàn truyền thống thường không đạt được hiệu quả mong muốn.

2.2. Ảnh hưởng của khuyết tật đến chất lượng cốt nối

Khuyết tật trong cốt nối có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất cơ học và điện của sản phẩm. Các khuyết tật như bonding defects và kissing bond defects cần được kiểm soát để đảm bảo chất lượng cốt nối.

III. Phương pháp chế tạo cốt nối Cu Al hiệu quả

Để chế tạo cốt nối Cu/Al, phương pháp hàn ma sát khuấy (FSW) được áp dụng. Phương pháp này cho phép nối các kim loại khác nhau mà không cần đến nhiệt độ nóng chảy, từ đó giảm thiểu khuyết tật và tiết kiệm năng lượng.

3.1. Quy trình hàn ma sát khuấy FSW

Quy trình FSW sử dụng nhiệt độ do ma sát tạo ra để làm mềm vật liệu, cho phép chúng kết nối mà không cần đến nhiệt độ nóng chảy. Điều này giúp giảm thiểu các khuyết tật thường gặp trong hàn truyền thống.

3.2. Thiết kế khuôn dập cho cốt nối

Thiết kế khuôn dập là một yếu tố quan trọng trong quá trình chế tạo cốt nối. Khuôn cần được thiết kế sao cho đảm bảo độ chính xác và chất lượng của sản phẩm cuối cùng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy cốt nối Cu/Al từ tấm bimetal có tính chất cơ học và điện tốt. Các thử nghiệm cho thấy cốt nối này có độ bền cao và khả năng dẫn điện tốt, phù hợp cho các ứng dụng trong ngành điện.

4.1. Đánh giá tính chất cơ học của cốt nối

Các thử nghiệm cho thấy cốt nối Cu/Al có độ bền kéo và độ cứng cao, đáp ứng được yêu cầu khắt khe trong các ứng dụng điện. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp chế tạo đã đạt được hiệu quả mong muốn.

4.2. Ứng dụng cốt nối trong ngành điện

Cốt nối Cu/Al có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết bị điện, hệ thống truyền tải điện và các thiết bị điện tử. Việc sử dụng cốt nối này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các thiết bị điện.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo cốt nối Cu/Al từ tấm bimetal đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành điện Việt Nam. Việc phát triển cốt nối này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành công nghiệp điện.

5.1. Hướng nghiên cứu mới trong chế tạo cốt nối

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và cải thiện tính chất của cốt nối. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

5.2. Tác động của cốt nối đến ngành điện

Cốt nối Cu/Al sẽ góp phần quan trọng trong việc phát triển ngành điện, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Điều này sẽ có tác động tích cực đến nền kinh tế xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống truyền tải năng lượng điện hiện đại đòi hỏi sự tối ưu hóa không ngừng về hiệu suất dẫn truyền và độ bền cơ học của các mối nối tiếp xúc. Trong bối cảnh ngành năng lượng Việt Nam đang mở rộng quy mô lưới điện với mục tiêu cắt giảm tổn thất điện năng xuống dưới 6% trên toàn hệ thống, việc chế tạo các phụ kiện điện chất lượng cao đóng vai trò sống còn. Cốt nối song song Cu/Al kiểu JBTL là thiết bị định hình tiếp xúc giữa dây dẫn đồng và dây dẫn nhôm, có tác dụng chống oxy hóa bề mặt, hạn chế ăn mòn điện hóa và duy trì độ dẫn điện đạt trên 58,0 MS/m theo chuẩn đồng tinh khiết C1100. Tuy nhiên, phần lớn các phụ kiện cốt nối chuyển tiếp lưỡng kim này hiện nay vẫn phải nhập khẩu với chi phí cao hơn từ 35% đến 50% so với chi phí sản xuất nội địa.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự chênh lệch lớn về nhiệt độ nóng chảy, hệ số giãn nở nhiệt và khả năng hình thành các pha hợp chất liên kim giòn giữa nhôm A1050 (độ bền kéo 85 đến 145 MPa, độ giãn dài 42%) và đồng đỏ C1100 (khối lượng riêng 8,94 g/cm3). Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuôn dập chuyên dụng và đánh giá cơ tính, cấu trúc tế vi của cốt nối song song JBTL từ phôi tấm bimetal Cu/Al kích thước 300 x 100 x 5 mm được ghép bằng công nghệ hàn khuấy ma sát (FSW). Nghiên cứu được thực hiện tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 8/2019 đến tháng 3/2020. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp tự chủ công nghệ sản xuất phụ kiện điện lực trong nước, giúp giảm giá thành sản phẩm khoảng 30% và nâng cao độ an toàn vận hành cho lưới điện phân phối 22 kV đến 110 kV.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết kết nối kim loại trạng thái rắn thông qua công nghệ hàn khuấy ma sát (FSW) và lý thuyết biến dạng dẻo trong gia công áp lực. Trong công nghệ FSW, vật liệu không bị nung chảy hoàn toàn mà chịu biến dạng dẻo cực lớn ở trạng thái dẻo dưới tác dụng của nhiệt ma sát sinh ra từ chốt hàn quay tốc độ cao (thường từ 1000 đến 3500 vòng/phút). Điều này giúp ức chế sự phát triển quá mức của các hợp chất liên kim loại giòn (IMC) như CuAl2 hoặc Cu9Al4 vốn làm suy giảm nghiêm trọng độ bền cơ học.

Khung lý thuyết tiếp xúc điện dựa trên định luật Ohm và lý thuyết điện trở tiếp xúc ranh giới, trong đó điện trở suất của đồng đỏ C1100 ở 20 độ C là 1,7241 micro-ohm.cm và độ dẫn điện danh định đạt 100% IACS. Các khái niệm chính bao gồm:

1. Vùng khuấy (Stir Zone - SZ): Vùng chịu biến dạng cơ học và nhiệt độ cao nhất, hình thành cấu trúc hạt siêu mịn tái kết tinh.
2. Vùng ảnh hưởng nhiệt cơ (TMAZ) và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): Các vùng chuyển tiếp chịu ứng suất nhiệt cục bộ, dễ phát sinh các điểm tập trung ứng suất.
3. Tấm Bimetal Cu/Al: Vật liệu tổ hợp lưỡng kim đồng thời tích hợp độ dẻo dẫn điện cao của đồng và khối lượng nhẹ, chi phí thấp của nhôm.
4. Cốt nối JBTL: Kết cấu kẹp cáp rãnh song song chịu lực dập vuốt định hình từ khuôn thép C45 có hàm lượng carbon tối đa 0,50% và độ bền kéo đạt trên 600 MPa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích định lượng trên các thiết bị đo lường chuẩn hóa quốc tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 16 mẫu thử nghiệm độc lập được gia công chuẩn xác bằng máy cắt dây CNC từ các vị trí cốt nối JBTL sau khi dập:

• 3 mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E08.
• 3 mẫu thử uốn theo tiêu chuẩn ASTM E290.
• 3 mẫu thử độ dai va đập Charpy theo tiêu chuẩn ASTM E23.
• 3 mẫu thử độ mở rộng vết nứt theo tiêu chuẩn ASTM E1290.
• 3 mẫu đo điện trở tiếp xúc và độ dẫn điện.
• 1 mẫu phân tích cấu trúc tế vi và đo phân bố độ cứng vi mô.

Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm lấy các mẫu đại diện trực tiếp tại đường ranh giới mối hàn, vùng tâm rãnh kẹp cáp và hai bên mép của cốt nối sau dập định hình. Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích này là để kiểm tra toàn diện ứng xử cơ - điện dưới các điều kiện tải trọng phức hợp tương tự thực tế vận hành.

Quy trình gia công khuôn dập sử dụng thép C45 trên máy phay đứng CNC MCV-410 với tốc độ trục chính 3500 vòng/phút. Quá trình dập định hình được thực hiện trên máy ép thủy lực công suất 30 tấn, áp dụng khe hở dập chuẩn 0,05 mm mỗi bên và lực hồi tấm chặn lò xo đạt từ 3% đến 7% lực cắt tổng thể. Quá trình tẩm thực kim tương sử dụng dung dịch axit hỗn hợp gồm HCl, HNO3, H3PO4 và HF để hiển thị rõ ranh giới hạt. Phân tích cấu trúc tế vi được thực hiện trên kính hiển vi quang học Olympus-CK40M với độ phóng đại từ 100 lần đến 2400 lần và camera kỹ thuật số 1000x. Đo độ cứng tế vi theo thang đo Vickers (HV) được thực hiện trên máy Wilson Hardness dưới tải trọng thử 10 gF đến 2000 gF. Thử nghiệm kéo uốn tiến hành trên máy Instron-3366 tải trọng 10 kN với độ chính xác 0,5%, thử va đập trên máy Tinius Olsen IT-406E với năng lượng 406 J và tốc độ va đập 5,5 m/s, đo điện trở bằng thiết bị CRM 200B+ dưới dòng phát tải 200A một chiều. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm được triển khai từ tháng 10/2019 đến tháng 2/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm tra thực nghiệm và phân tích số liệu trên cốt nối song song bimetal Cu/Al mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Hình thái cấu trúc tế vi và khuyết tật: Quan sát trên kính hiển vi quang học độ phóng đại từ 100x đến 1000x cho thấy tại vùng khuấy (SZ), các hạt tinh thể đồng và nhôm được nghiền mịn và đan xen cơ học chặt chẽ. Tuy nhiên, một số mẫu xuất hiện các dạng khuyết tật vi mô như khuyết tật liên kết (bonding defect), khuyết tật dính tiếp xúc (kissing bond) và khuyết tật đường hầm (tunnel defect). Những khuyết tật này phân bố chủ yếu dọc theo ranh giới vùng khuấy và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

2. Phân bố độ cứng vi mô: Biểu đồ đo độ cứng Vickers (HV) thể hiện sự biến thiên không đồng nhất rõ rệt qua các vùng của mối hàn. Độ cứng nền nhôm A1050 đạt giá trị xấp xỉ 25 đến 35 HV, trong khi nền đồng C1100 đạt khoảng 85 đến 95 HV. Tại vùng ranh giới liên kết và vùng khuấy SZ, độ cứng vi mô tăng vọt lên mức 110 đến 130 HV, cao hơn khoảng 20% đến 35% so với kim loại nền đồng do hiện tượng hóa bền biến dạng và sự hình thành các vi hạt phân tán sau quá trình hàn và dập nguội.

3. Ứng xử cơ học kéo, uốn và va đập: Độ bền kéo của mối hàn bimetal trên cốt nối đạt khoảng 82% đến 86% so với độ bền kéo danh định của kim loại nền nhôm A1050. Khi thử kéo phá hủy theo chuẩn ASTM E08, toàn bộ 100% mẫu thử đều bị đứt gãy tại vị trí vùng HAZ phía nhôm hoặc dọc theo ranh giới liên kết Cu/Al. Thử nghiệm uốn góc 90 độ và 180 độ theo ASTM E290 cho thấy mặt đáy cốt nối không xuất hiện vết nứt tách lớp lớn, khẳng định tính dẻo dai cơ học của liên kết bimetal sau khi chịu lực ép 30 tấn. Độ dai va đập trên máy Tinius Olsen đạt giá trị trung bình từ 12 đến 18 J/cm2.

4. Đặc tính dẫn điện và điện trở tiếp xúc: Kết quả đo kiểm bằng dòng tải 200A trên máy CRM 200B+ cho thấy điện trở tiếp xúc của cốt nối JBTL dao động trong dải từ 12,5 đến 18,3 micro-ohm. Độ sụt áp qua bề mặt liên kết Cu/Al thấp hơn 1,5% so với giới hạn tiêu chuẩn cho phép của phụ kiện đấu nối ngành điện, đáp ứng hoàn toàn điều kiện truyền dẫn tải cao mà không phát nhiệt cục bộ.

Thảo luận kết quả

Các số liệu thực nghiệm được hệ thống hóa rõ ràng thông qua biểu đồ phân bố độ cứng tế vi theo chiều ngang mặt cắt mối nối và đồ thị quan hệ ứng suất - biến dạng từ phần mềm Bluehill Lite. Khi phân tích đồ thị kéo nén, đường cong ứng suất của mối hàn bimetal có xu hướng dốc đứng tương đương đồng đỏ ở giai đoạn đàn hồi ban đầu nhưng nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo của nhôm trước khi xảy ra đứt gãy đột ngột tại ranh giới tiếp xúc.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự tập trung phá hủy tại vùng HAZ và ranh giới liên kết là do sự sai lệch mạng tinh thể và ứng suất dư sinh ra từ quá trình dập biến dạng nguội trên máy ép 30 tấn. Lực ép tạo hình rãnh song song JBTL làm gia tăng mật độ lệch mạng tại khu vực đáy rãnh gấp, biến vùng này thành vị trí nhạy cảm với vết nứt tế vi khi chịu tải kéo hoặc rung động cơ học. So sánh với các công bố quốc tế về hàn khuấy ma sát Cu/Al tấm phẳng, việc dập định hình sau hàn làm suy giảm khoảng 8% đến 12% độ bền kéo giới hạn nhưng bù lại làm tăng độ cứng cục bộ thêm 15% tại các điểm tì cáp. Cơ chế này giúp cốt nối JBTL tự chế tạo chịu được lực siết bulông cố định cáp mà không bị bẹp méo hoặc trượt tiếp xúc trong suốt quá trình vận hành ngoài trời.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và đưa sản phẩm cốt nối song song Cu/Al vào sản xuất thực tế quy mô lớn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

1. Tối ưu hóa bộ thông số hàn khuấy ma sát: Đội ngũ kỹ sư công nghệ cần điều chỉnh tỷ số giữa tốc độ quay trục chính và tốc độ tịnh tiến dao hàn trong phạm vi từ 4,0 đến 4,5 vòng/mm, đồng thời duy trì góc nghiêng dao từ 1,5 đến 2,0 độ. Mục tiêu nhằm triệt tiêu hoàn toàn khuyết tật đường hầm và giảm tỷ lệ khuyết tật kissing bond xuống dưới 1% tổng thể tích mối ghép, hoàn thành thử nghiệm tối ưu trong thời gian 3 tháng.

2. Cải tiến kết cấu và thông số bộ khuôn dập: Đơn vị chế tạo khuôn cần tăng bán kính góc lượn tại vùng chuyển tiếp đáy rãnh cốt nối từ 2,0 mm lên 3,5 mm trên lòng cối thép C45, đồng thời kiểm soát khe hở giữa chày và cối dập nghiêm ngặt ở mức 0,05 mm. Biện pháp này giúp giảm ứng suất tập trung khi dập trên máy ép 30 tấn, nâng độ giãn dài tương đối của chi tiết thêm 15% và hạn chế nguy cơ nứt tế vi trong vòng 6 tháng tới.

3. Áp dụng quy trình kiểm chuẩn không phá hủy tự động: Bộ phận quản lý chất lượng tại nhà máy cần tích hợp quy trình kiểm tra bề mặt bằng camera quang học độ phân giải cao 1000x kết hợp đo điện trở vi mô bằng dòng 200A trên 100% sản phẩm xuất xưởng. Mục tiêu đảm bảo điện trở mỗi đầu nối luôn duy trì dưới mức 20 micro-ohm, áp dụng lộ trình kiểm tra 100% mẫu thành phẩm ngay trong quý đầu tiên sản xuất.

4. Xây dựng chuỗi liên kết sản xuất phụ kiện nội địa: Tổng công ty Điện lực phối hợp cùng các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp cơ khí chế tạo thành lập dự án sản xuất thử nghiệm cốt nối JBTL bimetal với công suất 50.000 sản phẩm/năm, triển khai trong giai đoạn 2024 đến 2026 nhằm thay thế hoàn toàn nguồn phụ kiện nhập khẩu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư cơ khí chế tạo máy và công nghệ gia công áp lực: Tài liệu cung cấp bản vẽ thiết kế khuôn dập định hình chi tiết trên thép C45, công thức tính toán lực dập, lực lò xo chặn phôi từ 3% đến 7% và chế độ phay CNC trên máy MCV-410, giúp ứng dụng trực tiếp vào việc thiết kế khuôn dập kim loại tấm nhiều lớp.

2. Kỹ sư điện và chuyên gia vận hành hệ thống truyền tải: Luận văn cung cấp toàn bộ thông số về điện trở tiếp xúc đo bằng thiết bị CRM 200B+ dưới dòng 200A và độ bền kéo uốn cơ học, làm căn cứ kỹ thuật để thẩm định, lựa chọn phụ kiện kẹp cáp chuyển tiếp đồng - nhôm trên lưới điện trung thế và hạ thế.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu: Cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về cấu trúc tổ chức tế vi (SZ, TMAZ, HAZ), hiện tượng hóa bền biến dạng và cơ chế đứt gãy của mối ghép bimetal Cu/Al theo hệ tiêu chuẩn ASTM quốc tế.

4. Lãnh đạo doanh nghiệp sản xuất thiết bị phụ kiện điện: Hỗ trợ đánh giá bài toán kinh tế - kỹ thuật, nắm bắt quy trình làm chủ công nghệ gia công bimetal nội địa nhằm tiết kiệm từ 30% đến 40% chi phí đầu tư so với nhập ngoại.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công nghệ hàn khuấy ma sát lại vượt trội hơn hàn nóng chảy truyền thống khi ghép nối đồng và nhôm? Hàn nóng chảy thông thường tạo ra nhiệt độ vượt quá 1083 độ C của đồng và 660 độ C của nhôm, dẫn đến hình thành lớp hợp chất liên kim Cu-Al dày và cực kỳ giòn, làm giảm độ bền kéo dưới 50 MPa. Ngược lại, hàn FSW liên kết ở trạng thái rắn dưới nhiệt độ nóng chảy, tạo vùng khuấy hạt mịn giúp độ bền mối nối đạt trên 80% kim loại nền.

2. Quá trình dập định hình trên máy ép 30 tấn tác động như thế nào đến cơ tính của tấm bimetal Cu/Al? Quá trình dập vuốt tạo ra sự biến dạng dẻo mạnh làm tăng mật độ lệch mạng tinh thể, nâng độ cứng vi mô tại vùng khuấy lên 110 đến 130 HV (tăng 20% đến 35%). Mặc dù độ bền kéo bị suy giảm nhẹ khoảng 10% do ứng suất dư, cốt nối vẫn duy trì khả năng chịu uốn 180 độ mà không xảy ra hiện tượng nứt toác bề mặt tiếp giáp.

3. Khả năng dẫn điện của cốt nối song song JBTL tự chế tạo có đáp ứng tiêu chuẩn ngành điện lực không? Cốt nối hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn vận hành lưới điện nhờ điện trở tiếp xúc đo được chỉ từ 12,5 đến 18,3 micro-ohm dưới dòng thử nghiệm 200A trên máy CRM 200B+. Bề mặt liên kết bimetal Cu/Al kín khít giúp ngăn chặn triệt để sự xâm nhập của không khí và hơi ẩm, triệt tiêu nguy cơ ăn mòn điện hóa sinh nhiệt khi truyền tải dòng điện lớn.

4. Vị trí đứt gãy điển hình của cốt nối bimetal trong các thử nghiệm phá hủy cơ học nằm ở đâu? Theo kết quả thử nghiệm phá hủy trên máy Instron-3366 và máy va đập Tinius Olsen IT-406E, 100% mẫu thử đều bị đứt gãy tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) phía nhôm hoặc dọc theo mặt tiếp xúc Cu/Al. Nguyên nhân là do vùng này tập trung các khuyết tật vi mô như kissing bond và có sự chênh lệch lớn về môđun đàn hồi giữa hai kim loại.

5. Vì sao thép C45 được lựa chọn để chế tạo bộ khuôn dập cốt nối trên máy phay CNC? Thép C45 có tỷ lệ carbon 0,50%, độ bền kéo trên 600 MPa và độ cứng sau tôi đạt từ 45 đến 50 HRC, đảm bảo khả năng chịu lực dập cắt liên tục mà không biến dạng lòng khuôn. Vật liệu này có tính công nghệ cắt gọt xuất sắc trên máy phay CNC MCV-410, giúp duy trì dung sai khe hở chuẩn xác 0,05 mm với chi phí gia công hợp lý.

Kết luận

• Luận văn đã chế tạo thành công cốt nối song song JBTL bimetal Cu/Al từ nhôm A1050 và đồng C1100 bằng công nghệ dập tấm hàn khuấy ma sát trên máy ép thủy lực 30 tấn.
• Hệ thống khuôn dập định hình bằng thép C45 gia công trên máy phay CNC MCV-410 đảm bảo độ chính xác khe hở cắt 0,05 mm, tạo ra sản phẩm cốt nối không bị cong vênh và nứt vỡ.
• Mối hàn bimetal sau dập đạt độ bền kéo bằng 82% đến 86% kim loại nền nhôm, độ cứng vùng khuấy đạt 110 đến 130 HV và góc uốn đạt 180 độ theo chuẩn ASTM.
• Điện trở tiếp xúc của cốt nối đạt mức 12,5 đến 18,3 micro-ohm dưới tải dòng 200A, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành trên lưới điện truyền tải quốc gia.
• Công trình chứng minh tính khả thi của việc tự chủ công nghệ sản xuất phụ kiện bimetal trong nước, giúp giảm 30% đến 40% chi phí nhập khẩu thiết bị cho ngành điện.

Lộ trình phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới cần tập trung vào việc tự động hóa dây chuyền hàn FSW và dập liên hoàn để nâng công suất lên 50.000 sản phẩm/năm, đồng thời mở rộng thử nghiệm trên các thanh cái đồng - nhôm cỡ lớn. Các đơn vị quản lý lưới điện và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện cần chủ động liên kết, ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn để nâng cao hiệu quả kinh tế và độ an toàn cho hệ thống năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.1 Giới thiệu Tổng quan về tấm Bimetal Cu/Al Tấm bimetal Al/Cu là một vật liệu kỹ thuật mới, dựa trên nhu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau, được hình thành dựa vào công nghệ kỹ thuật tiên tiến như cán, hàn, phủ, nó được sử dụng cho tất cả các loại sản xuất linh kiện điện như: bộ phận ngắt mạch nhỏ, chuyển tiếp contactor, kết nối, chuyển mạch, và tản nhiệt ôtô, vv. Trong các ứng dụng điện, tấm Bimetal Cu/Al cho phép kết hợp vật liệu nhôm với đồng có điện trở thấp, với đặc tính ổn định hơn và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, độ cứng cao. Nhiều ngành công nghiệp khác nhau không ngừng nỗ lực cải thiện khả năng cạnh tranh của mình, với các sản phẩm hiệu suất cao hơn được thực hiện với quy trình hiệu quả với tác động môi trường thấp. Hầu hết các phát triển được hỗ trợ bởi tối ưu hóa vật liệu đòi hỏi giải pháp tiên tiến cho sản xuất, trong đó việc kết hợp các vật liệu kỹ thuật khác nhau thường là quá trình thách thức nhất.

Về phạm vi này, hàn khuấy ma sát (FSW) [ 1 ] là một kỹ thuật nối vật liệu trạng thái rắn hiện đại, mở ra khả năng sản xuất các mối nối của các vật liệu khác nhau mà phương pháp hàn nung chảy thông thường khó, hoặc thậm chí không thể làm được. Trong FSW, nhiệt chủ yếu được tạo ra bởi sự tiêu tán ma sát trong quá trình biến dạng dẻo bên trong, và do đó vật liệu không đạt đến nhiệt độ nóng chảy của chúng khi tự sinh nhiệt cục bộ giảm xuống do nhiệt độ tăng có xu hướng nóng chảy [ 3 , 4 ]. Điều này có nghĩa là khi FSW của các vật liệu khác nhau, nhiệt độ cục bộ là yếu tố cho phép biến dạng dẻo cục bộ do dụng cụ cứng, điều kiện gá lắp và các thông số quá trình áp đặt dựa trên kết quả từ việc theo dõi nhiệt độ trong suốt FSW của các mối hàn Al-Cu. Các mối nối lưỡng kim loại FSW chất lượng tốt hiện khả thi cho Al với thép [ 5 , 6 , 7] và Al và Cu [ 8 ].

Tránh các vấn đề phổ biến liên quan đến hàn nung chảy các kim loại khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ nung chảy không phù hợp, hình thành các hợp chất liên kim loại giòn rộng (IMC), khả năng hòa tan khí và độ méo cao, và ứng suất dư [ 2 ], FSW đã mở ra những khả năng mới trong tối ưu hóa thiết kế và sản LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 4 xuất các sản phẩm khác nhau. Đặc biệt, các ứng dụng điện như cốt nối song song Cu/Al từ tấm BIMETAL Cu/Al có thể nhận được những lợi ích đáng kể từ việc kết hợp vật liệu rẻ hơn và nhẹ hơn, chẳng hạn như cốt nối song song Cu/Al từ tấm BIMETAL Cu/Al có điện trở thấp hơn, có tính chất cơ học ổn định hơn và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn.2 Các ứng dụng của Tấm bimetal Cu/Al. Thiết bị đầu nối điện Cu/Al.1: Ứng dụng ngành điện [ 17] 1.3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Mehta KP, Badheka VJ (2016) [ 8 ] đánh giá về hàn khuấy ma sát khác nhau của đồng với nhôm: quy trình, đặc tính và các cấu trúc.

Các thông số FSW như thiết kế dụng cụ, độ lệch chân dao, tốc độ quay, tốc độ hàn, góc nghiêng dụng cụ, và vị trí của vật liệu phôi Cu-Al khác nhau được tóm tắt trong bài báo này. Ngoài ra, các khuyết tật hàn, cấu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 5 trúc tế vi và sự tạo hợp chất đối với vật liệu Cu-Al bằng kỹ thuật FSW cũng đã được thảo luận trong bài báo này. Napieralska-Juszczak E, Komeza K, Morganti F, Sykulski JK, Vega G, Zeroukhi Y (2017) [ 9 ] đo điện trở tiếp xúc cho dây dẫn đồng và nhôm. Điện trở suất được thiết lập bằng cách so sánh các phép đo của điện trở suất với các mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Tính không đồng nhất của tiếp xúc đã được và các kết quả được trình bày cho thấy sự phụ thuộc của điện trở tiếp xúc vào một số thông số. Soegijono [11] đã nghiên cứu tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu 96,2% nhôm và 3,8% đồng được tạo bằng quá trình nóng chảy ở nhiệt độ 1200oC và thêm vào dung dịch khoảng 12,5% đến 20% SiC trên bề mặt khảo sát và sau đó phân tích cấu trúc được kiểm tra bằng tia X-Ray máy đo nhiễu xạ (XRD), soi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử (SEM), độ cứng HRB đo bằng máy Vickers. Kết quả cho thấy chính SiC là chất xúc tác làm cho bề mặt được khảo sát có độ cứng lớn hơn mặt còn lại khoảng 15%. Eka Febryansyah [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại chốt hàn hàn ma sát khuấy đến cơ tính mối hàn nhôm 5052 và đồng nguyên chất.

Các thông số hàn được thực hiện với ba loại vai và chốt hàn khác nhau: hình trụ , hình côn và ren. Trước khi hàn, tấm đồng được gia nhiệt với nhiệt độ từ 25°C đến 200°C. Các mối hàn được thực hiện ở tốc độ quay chốt 2800 vòng/phút, tốc độ di chuyển 2 mm/giây. Tất cả các mối hàn sau đó được thử nghiệm độ bền cơ học và quan sát cấu trúc hạt dưới kính hiển vi.

Kết quả cho thấy tại vùng đồng được gia nhiệt cấu trúc tế vi thay đổi, tạo ra các pha Al/Cu làm tăng cơ tính của vật liệu. Khi sử dụng chốt hàn hình trụ dạng ren xoắn sẽ làm tăng độ bền kéo của mối hàn, thí nghiệm cho thấy, thông thường vị trí gãy xuất hiện tại vùng nhôm A5052. Neto DM, Neto P (2013) [12] đã mô hình hóa của quá trình hàn khuấy ma sát. Khảo sát này trình bày một tổng quan các số liệu về mô hình hàn khuấy ma sát (FSW) với sự tập trung đặc biệt vào tự sinh nhiệt do điều kiện tiếp xúc giữa dụng cụ FSW và LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 6 phôi.

Quá trình vật lý được mô tả và các thông số quá trình chính có liên quan đến mô hình của nó được quan tâm. Các điều kiện tiếp xúc (trượt / dính) được trình bày cũng như một mô hình phân tích cho phép dự đoán sự sinh nhiệt liên quan. Việc mô hình hóa quy trình FSW đòi hỏi kiến thức về các cơ chế thất thoát nhiệt, được thảo luận chủ yếu xem xét các công thức được áp dụng phổ biến hơn. Hiện nay trong nước nghiên cứu về tấm Bimetal Cu/Al rất ít.

Vì còn hạn chế công nghệ và thiết bị để tiến hành nghiên cứu. Vật liệu này được nước ta sử dụng rất nhiều trong ngành năng lượng điện nhưng đa số là chúng ta mua từ nước ngoài về. Ở Việt Nam trong nhiều năm gần đây cũng đã có nhiều đề tài, công trình nghiên cứu về hàn ma sát khuấy bằng vật liệu nhôm. - “ Ứng dụng công nghệ hàn ma sát khuấy cho các kết cấu dạng tấm bằng hợp kim nhôm biến dạng ” của TS.

Lưu Phương Minh - Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã nghiên cứu 1 quy trình hàn ghép nối hợp kim nhôm AA5083 dạng tấm dày từ 2-6 (mm). Thiết kế 5 bộ dụng cụ hàn ma sát với hình dáng vai dụng cụ : vai lõm, hình dáng chốt hàn : biên dạng trụ tròn có ren và biên dạng tạm giác không ren, đáp ứng đúng và đủ với sản phẩm đã đăng ký. Có 3 bài báo đăng Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần III, 4/2013. [15] - Có một số đề tài ở trường Đại học Bách Khoa đã đi vào nghiên cứu về hàn ma sát khuấy nhưng chỉ dừng lại ở dạng nghiên cứu đặc tính kéo, uốn của mối hàn giáp mí.

Hơn nữa việc chế tạo và ứng dụng mối hàn chữ T với hợp kim nhôm 5083 vẫn chưa có đề tài nào thực hiện. Đó là những vấn đề mà các nhà nghiên cứu trong nước đã và chưa thực hiện được. [16] - “ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát độ bền của mối hàn ma sát khuấy hợp kim nhôm AA5083 ” của TS. Trần Hưng Trà, Dương Đình Hảo, Nguyễn Bích Ngọc, Phí Công Thuyên đã chế tạo thành công mối hàn hợp kim nhôm AA5083.

Ảnh hưởng của tốc độ quay và tốc độ tịnh tiến v của chốt hàn đến độ bền mối hàn đã được khảo sát và LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 7 phân tích cụ thể. Độ bền của mối hàn đạt 86% so với vật liệu nền.5 vòng/mm có độ bền cao nhất. [13] - “ Ảnh hưởng của thông số hàn đến độ bền uốn của mối hàn ma sát khuấy tấm hợp kim nhôm AA7075-T6 ” của ThS. Dương Đình Hảo, TS.

Trần Hưng Trà, TS. Vũ Công Hòa năm 2015 cho thấy mối hàn đạt độ bền uốn cao khi tỉ số giữa tốc độ quay chốt hàn và tốc độ tịnh tiến nằm trong khoảng từ 4. Trong đó có mối hàn chịu được uốn với góc uốn khá lớn đạt đến 900 và không bị phá hủy cũng như khả năng chịu uốn của mối hàn còn tốt hơn cả vật liệu nền.4 Đối tượng nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu ở đây là nghiên cứu chế tạo cốt nối từ tấm bimetal Cu/Al và ảnh hưởng của quá trình chế tạo đến độ bền kéo, độ uốn, độ cứng, cấu trúc tế vi của cốt nối từ tấm bimetal Cu/Al.2 Tấm bimetal Cu/Al được chế tạo từ Nhôm A1050 và Đồng đỏ C1100 Hình 1.3 Cốt nối song song JBTL [ 17].5 Nội dung nghiên cứu và giới giạn đề tài.

- Lựa chọn kết cấu đầu nối JBTL (JB-TL Cu-Al parallel-groove clamp). - Nghiên cứu chế tạo bộ khuôn và đồ gá phục vụ chế tạo cốt nối. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trang 8 - Khảo sát đặc điểm cấu trúc của tấm bimetal nhôm/đồng (được chế tạo bằng công nghệ hàn ma sát). - Khảo sát ảnh hưởng của quá trình chế tạo cốt nối đến cấu trúc của cốt nối.

- Khảo sát ảnh hưởng của quá trình chế tạo cốt nối đến cơ tính của cốt nối.6 Phương pháp nghiên cứu 1. Lựa chọn kết cấu cốt nối JBTL (JB-TL Cu-Al parallel-groove clamp). Việc lựa chọn hình dáng, kết cấu cốt nối phải đáp ứng được các tiêu chí sau đây: - Lựa chọn kết cấu cốt nối làm sao cho đơn giản trong quá trình dập sản phẩm từ tấm Cu-Al mà vẫn đảm bảo cho hiệu quả kẹp cáp điện và truyền dẫn điện. - Hình dạng cốt nối quá phức tạp thì khó dập ra sản phẩm, còn quá đơn giản thì hiệu quả kẹp cáp và truyền dẫn điện không đạt.

Tham khảo các cốt nối có trên thị trường, có thể phác thảo hình dáng và kết cấu cốt nối như sau: Hình 1.4 Kết cấu đầu nối JB-TL 1.