H À A N H H U Y L U Ậ N V Ă N T H Ạ C S Ỹ K H O A H Ọ C K Ỹ T H U Ậ T C Ơ K H Í 2 0 1 6 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH H[.]
HÀ ANH HUY - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT HÀN KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đồng Nai, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT HÀN KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 6052013 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐẶNG THIỆN NGÔN MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn I Mục lục II Danh mục ký hiệu chữ viết tắt VIII Danh mục bảng biểu XI Danh mục hình vẽ đồ thị XII MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu kim loại hàn 1.1.1 Thép không gỉ 1.1.1.1 Phân loại a Thép không gỉ austenit b Thép không gỉ ferit c Thép không gỉ mactenzit d Thép không gỉ duplex e.Thép không gỉ biến cứng kết tủa 1.1.1.2 Thành phần hóa học tính vật liệu thép không gỉ 1.1.1.3.Tính hàn thép không gỉ austenit a.Nứt nóng kim loai mối hàn vùng ảnh hƣởng nhiệt b Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt thép bền nhiệt nhiệt độ cao 10 c Suy giảm tính thép khơng gỉ austenit hệ số giãn nở nhiệt lớn 11 d.Hiện tƣợng phá hủy liên kết hàn thép austenit ăn mòn tinh 12 giới e Hiện tƣợng phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit ăn 13 mòn dƣới ứng suất 1.1.1.4 Công nghệ hàn thép không gỉ 316L phƣơng pháp 13 hàn TIG 1.2 Thép cacbon 15 1.2.1.1 Phân loại 15 a Thép cacbon thấp 15 b Thép cacbon trung bình 15 c Thép cacbon cao 15 1.2.1.2 Thành phần hóa học tính vật liệu thép 16 cacbon 1.2.1.3 Tính hàn thép A516 Grade 65 16 a Chu trình nhiệt hàn tính chất vùng ảnh hƣởng nhiệt 17 b Nhiệt độ đƣờng hàn TIG 18 1.2.1.4 Công nghệ hàn thép A516 Grade 65 phƣơng pháp hàn TIG 18 1.3 Công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại phƣơng pháp hàn TIG 18 1.3.1 Khái niệm nguyên lý hoạt động phƣơng pháp hàn TIG 18 1.3.2 Đặc điểm trình hàn 19 1.3.3 Điện cực hàn TIG 20 1.3.4 Cƣờng độ dòng điện hàn TIG 21 1.3.5 Điện áp hồ quang 22 1.3.6 Khí bảo vệ 23 1.3.7 Kim loại đắp (dây hàn phụ) 24 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 25 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc ngồi 25 1.6 Định hƣớng nghiên cứu đề tài 27 Chƣơng MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 28 2.2 Nội dung nghiên cứu đề tài 28 2.2.1.Nghiên cứu lý thuyết 28 2.2.2.Nghiên cứu thực nghiệm 29 2.3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài 29 2.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 29 2.3.2 Phạm vi nghiên cứu 30 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 30 Chƣơng CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 32 3.1 Các phƣơng pháp hàn thép cacbon thép không gỉ 32 3.1.1.Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn nổ (Explosive Welding Process) 32 3.1.2 Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn ma sát 33 a Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn ma 33 sát ngoáy (Friction Stir Welding Process) b Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn ma sát quay 35 3.1.3 Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance Spot Welding Process) 35 3.1.4 Hàn thép cacbon – thép không gỉ phƣơng pháp hàn hồ quang 37 3.1.4.1 Hàn thép cacbon – thép không gỉ phƣơng pháp hàn MIG 37 3.1.4.2 Hàn thép cacbon – thép không gỉ phƣơng pháp hàn 37 TIG 3.2 Khuyết tật mối hàn 38 3.2.1 Ngậm xỉ (Solid inclusions) 38 3.2.2 Thiếu ngấu (Lack of fusion) 40 a Thiếu ngấu cạnh 40 b.Thiếu ngấu lớp 41 c.Thiếu ngấu chân 42 3.2.3 Không thấu (Lack of penetration) 43 a.Không thấu hoàn toàn 43 b.Thiếu thấu chân 44 3.2.4.Khuyết tật rỗ khí/hốc khí (Cavities) 44 3.2.5.Nứt (Cracks) 47 a Nứt dọc 48 b Nứt ngang 48 c Nứt tia 49 d Nứt rãnh hồ quang hàn 49 e.Nứt theo chất 50 3.3 Các phƣơng pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn 51 3.3.1 Kiểm tra mối hàn phƣơng pháp siêu âm (UT- 52 Ultrasonic Test) 3.3.1.1.Qui trình chung 52 3.3.1.2.Kiểm tra mối hàn giáp mối 53 3.3.2 Kiểm tra mối hàn phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ 58 3.3.3 Kiểm tra vật liệu thử kéo 61 3.3.3.1.Các phƣơng pháp kiểm tra độ bền 63 a Thử kéo ngang 63 b Thử kéo kim loại đắp toàn mối hàn (kéo dọc) 64 3.3.4 Thử uốn tĩnh (uốn công nghệ) 66 b Thử b gãy mối hàn giáp mối (nick- break tests) 71 c Thử b gãy mối hàn góc 72 Chƣơng THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 73 4.1 Quá trình thực mẫu hàn giáp mối 73 4.1.1 Chuẩn bị mẫu hàn 73 4.1.1.1.Kích thƣớc chi tiết mẫu 73 4.1.1.2.Thiết kế mối ghép 73 4.1.1.3.Lựa chọn vật liệu hàn 74 4.1.2.Hàn đính 76 4.1.2.1.Trình tự kích thƣớc mối hàn đính 77 4.1.2.2.Xử lý biến dạng hàn 78 4.1.3.Hàn 80 4.1.3.1.Năng lƣợng đƣờng (Heat input) 80 4.1.3.2.Nhiệt độ đƣờng hàn (Tip- interpass temperature) 81 4.1.3.3.Trình tự bố trí lớp hàn đƣờng hàn 81 4.1.4.Kiểm tra 82 4.1.5Trang thiết bị hàn 82 4.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù 83 1,6 mm 4.2.1.Quy trình thực nghiệm mẫu hàn 83 4.2.1.1.Chuẩn bị mẫu hàn 83 4.2.1.2.Hàn đính 86 4.2.1.3.Hàn 88 4.2.2 Kiểm tra 4.3 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù 96 97 2,4 mm 4.3.1.Quy trình thực nghiệm mẫu hàn 4.3.1.1.Chuẩn bị mẫu hàn 97 4.3.1.2.Hàn đính 97 4.3.1.3.Hàn 97 4.3.2 Kiểm tra 101 4.4 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù 105 3.2 mm 4.4.1.Chuẩn bị mẫu hàn 105 4.4.1.1.Hàn đính 106 4.4.1.2.Hàn 106 4.4.2.Kiểm tra 109 4.4.3.Quy trình xác định thơng số hàn đạt suất cao 110 4.4.4.Xác định cƣờng độ dòng điện 110 4.4.5.Quy trình hàn với cƣờng độ dịng điện hàn I= 160 (A) 110 4.4.5.1.Chuẩn bị mẫu hàn 110 4.4.5.2.Hàn đính 110 4.4.5.3.Hàn 111 4.4.5.4.Kiểm tra 114 a Kiểm tra ngoại dạng 114 b Kiểm tra chụp X-quang 114 c Kiểm tra siêu âm 115 d.Kiểm tra độ bền kéo, uốn 116 4.4.6.Thực nghiệm quy trình chế tạo mẫu hàn I= 180(A) 118 4.4.6.1.Chuẩn bị mẫu hàn 118 4.4.6.2.Hàn đính 118 4.4.6.3.Hàn 119 4.4.6.4.Kiểm tra 122 a Kiểm tra ngoại dạng 122 b Kiểm tra chụp X-quang 122 c Kiểm tra siêu âm 123 d.Kiểm tra độ bền kéo, uốn 124 4.4.7.Thực nghiệm quy trình chế tạo mẫu hàn I= 200(A) 126 4.4.7.1.Chuẩn bị mẫu hàn 126 4.4.7.2.Hàn đính 126 4.4.7.3.Hàn 127 4.4.7.4.Kiểm tra 129 a Kiểm tra ngoại dạng 129 Nhận xét 130 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 5.1 Kết luận 132 5.2 Kiến nghị 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤC LỤC 137 MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công nghiệp hóa chất dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục điều kiện công nghệ khắc nghiệt đƣợc khống chế nghiêm ngặt mơi trƣờng hóa chất gây nên han gỉ, hƣ hỏng cho thiết bị, máy móc Theo số liệu thống kê nhất, nhà máy hóa chất chi phí dành cho bảo vệ chống ăn mòn chiếm 70 - 80% chi phí sửa chữa dịch vụ sửa chữa năm Do vậy, ngƣời ta ngày ý đến việc bảo vệ chống ăn mịn thiết bị cơng nghệ để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn Một kỹ thuật bảo vệ chống ăn mòn lựa chọn loại vật liệu chế tạo nên kết cấu, máy móc có khả làm chậm q trình ăn mịn Thép khơng gỉ, thép hợp kim cao chịu ăn mịn sở thép crơm – niken có giá thành cao, vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến ngành cơng nghiệp hóa chất để chế tạo thiết bị, máy móc sản xuất hóa chất Tuy vậy, ngƣời ta sử dụng thép hợp kim để chế tạo hồn tồn kết cấu máy lý kinh tế, mà sử dụng chúng cho vị trí cơng nghệ có u cầu cao nhiệt chống mòn Từ đây, vấn đề sử dụng kết cấu đƣợc hình thành từ hai loại vật liệu thép cacbon thép không gỉ đƣợc đặt Để đáp ứng điều này, nhà chế tạo máy đƣa giải pháp sử dụng đồng thời thép hợp kim (thép không gỉ) thép cacbon kết cấu kỹ thuật hàn Đây vấn đề khó khăn thực tế, để xây dựng qui trình hàn thép khơng gỉ - thép cacbon khơng đơn giản chúng khơng phụ thuộc vào yếu tố kỹ thuật mà phụ thuộc vào tay nghề ngƣời thợ Ngoài ra, việc cải thiện suất hàn mà đảm bảo chất lƣợng mối hàn nhƣ khơng có khuyết tật hàn vấn đề đặt thực tế Tring thực tế sản xuất, suất hàn phụ thuộc vào nhiều thông số nhƣ chế độ hàn, vật liệu hàn, tốc độ hàn, trang bị gá kẹp tay nghề thợ hàn Đây nội dung đƣợc quan tâm đề cập đến trình thực nghiên cứu đề đề xuất đƣợc qui trình cơng nghệ chế tạo hàn đạt suất hàn cao 1.1 Tính cấp thiết đề tài Việc tham gia kim loại khác kết cấu nói chung thách thức lớn cơng nghệ khác biệt tính chất lý tính, tính phƣơng pháp luyện kim kim loại Đây vấn đề khó khăn sử dụng hai kim loại khác (ở thép cacbon thép không gỉ) để chế tạo kết cấu khí phƣơng pháp hàn Hình 1: Sản xuất hệ vỏ & ống trao đổi nhiệt sử dụng hai vật liệu Sự tham gia kim loại khác mang đến tiềm sử dụng lợi vật liệu khác để chế tạo kết cấu khí ứng dụng ngành cơng nghiệp hố chất, nhà máy nhiệt điện Mục đích việc sử dụng kim loại thứ hai tham gia kết cấu để đạt đƣợc tính chất học tốt khối lƣợng riêng thấp hay có tính chống ăn mịn tốt Và kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng cho phép sử dụng hai kim loại khác năm gần kỹ thuật hàn Mặc dù vấn đề liên quan đến hàn vật liệu khác hạn chế, xuất phát từ vấn đề nhƣ độ bền mỏi, khả chống ăn mòn nhƣ hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon Thép không gỉ austenit thép hợp kim cao làm tăng khả chịu nhiệt, khả chống ăn mòn tăng độ bền kết cấu Thép cacbon 10 thấp trung bình thép dễ dàng gia cơng q trình khí q trình hàn Nhu cầu sử dụng kết hợp hai loại vật liệu số ngành công nghiệp kỹ thuật hàn đƣa đến tiến nhƣ hàn điện cực nóng chảy mơi trƣờng khí trơ (GTAW/TIG) Trong tiêu chuẩn AWS D1.1, AWS D1.6 ASME IX việc hàn hai kim loại khác đƣợc đề cập đến với thông số tổng quát phạm vi giá trị rộng Do vậy, việc xác định qui trình hàn phù hợp cho hai vật liệu với mác cụ thể khó khăn cần phải thực số lƣợng lớn thí nghiệm với chi phí đo kiểm cao Ngày nay, với phát triển bùng nổ số nhà máy lọc hoá dầu Việt Nam dẫn đến nhu cầu lớn xây dựng bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas nên việc cần phải có qui trình hàn phù hợp có suất cao để hàn hai loại vật liệu khác nhƣ thép cacbon thấp thép không gỉ cấp thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu thơng số ảnh hưởng đến suất hàn hàn thép không gỉ với thép các-bon ” đƣợc triển khai nghiên cứu trƣờng đại học Lâm nghiệp Hà Nội cơng việc thí nghiệm, đánh giá đƣợc thực phịng thí nghiệm RemeLab (trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh) PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu: - Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu thép cacbon với thép không gỉ austenit A240 - Nghiên cứu thông số ảnh hƣởng đến chế độ hàn, suất hàn - Đề xuất qui trình hàn sở thông số hàn đƣợc xác định nhằm đạt đƣợc suất hàn cao Trong khuôn khổ phạm vi đề tài, suất hàn đƣợc hiểu suất hàn cao đạt đƣợc sở qui trình hàn đề xuất mà đảm bảo đƣợc yêu cầu chất lƣợng mối hàn (độ bền, thẩm mỹ,…) nhƣ chứa khuyết tật hàn 11 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN a Ý nghĩa khoa học đề tài - Nghiên cứu, bổ sung sở lý thuyết công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại, từ làm sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn từ thép cacbon – thép không gỉ austenit đạt yêu cầu chất lƣợng phƣơng pháp hàn TIG - Xác định đƣợc thành phần hóa học tính phù hợp loại dây hàn phụ để hàn cặp vật liệu thép cacbon với thép không gỉ austenit - Xác định đƣợc thơng số hàn (cƣờng độ dịng điện hàn, vận tốc hàn, đƣờng kính que hàn) phù hợp qua tìm đƣợc chế độ hàn đạt suất cao b Ý nghĩa thực tiễn đề tài - Ứng dụng phƣơng pháp hàn TIG để hàn thép cacbon với thép không gỉ austenit mối hàn liên kết giáp mối đƣợc vát cạnh chữ V - Đề xuất đƣợc chế độ hàn đạt suất cao ứng dụng vào thực tế sản xuất - Kết nghiên cứu đề tài góp phần vào q trình đào tạo, kiểm tra chất lƣợng mối hàn phƣơng pháp kiểm không phá hủy (NDT) phƣơng pháp phá hủy (DT) Qui trình hàn đề xuất chuyển giao cho doanh nghiệp ứng dụng công nghệ hàn hàn hai vật liệu thép cacbon – thép khơng gỉ nói riêng cơng nghệ hàn hai vật liệu nói chung để đạt đƣợc suất cao, cho phép giảm chi phí sản xuất ngành cơng nghiệp đặc thù nhƣ đóng tàu, dầu khí, hóa chất,… 12 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu kim loại hàn 1.1.1 Thép không gỉ Thép không gỉ nhóm thép hợp kim cao, chứa 12% crơm [1, 20] Nói chung, chúng đƣợc tạo thành từ nguyên tố hợp kim với nguyên tố khác làm cho chúng chống ăn mịn nhiều môi trƣờng khác Những nguyên tố làm thay đổi cấu trúc tế vi thép hợp kim, có ảnh hƣởng rõ rệt tính chất học tính hàn chúng Có nhiều hệ thống khác đƣợc sử dụng để ký hiệu thép không gỉ Ký hiệu đƣợc sử dụng phổ biến hệ thống AISI (tiêu chuẩn Mỹ), hệ thống nhóm thép khơng gỉ austenit đƣợc ký hiệu dãy 200 300, thép không gỉ mactenxit ferrit đƣợc ký hiệu dãy 400 [1, 20] Để nhận biết thép có tổ chức kim loại thuộc nhóm nào, sử dụng giản đồ Schaeffler hình 2.1 Giản đồ Schaeffler cho biết tổ chức pha gần thép (trong điều kiện cân nhiệt động học) sở đƣơng lƣợng crom (CrE) đƣơng lƣợng niken (NiE) Hình 1.1 Giản đồ Schaeffler [28] 13 Một phƣơng pháp hữu ích để đánh giá đặc tính chung q trình luyện kim vật liệu hàn thép không gỉ sơ đồ Schaelfler Delong Các nguyên tố hợp kim khác đƣợc thể giới hạn hàm lƣợng niken crôm tƣơng đƣơng (tức nguyên tố nhƣ niken có xu hƣớng hình thành austenit ngun tố nhƣ crơm có xu hƣớng hình thành ferit) Bằng cách vẽ tổng giá trị cho niken crôm tƣơng đƣơng sơ đồ này, điểm đƣợc tìm thấy pha có thép không gỉ giới hạn % ferit giá trị ferit tƣơng ứng Điều cung cấp số thơng tin nhƣ ứng xử q trình hàn 1.1.1.1 Phân loại a Thép không gỉ austenit: thép có chứa 17 – 20% Cr – 13% Ni, 3% Mo [16] Đặc điểm chung nhóm thép chịu đƣợc nhiệt độ cao, tính chống ăn mịn cao, hồn tồn ổn định nƣớc sơng, nƣớc biển, q nhiệt, dung dịch muối, hồn tồn ổn định HNO3 với nồng độ Công dụng nhóm thép sử dụng cơng nghiệp sản xuất axít, hóa dầu thực phẩm Trong lĩnh vực chế tạo nhóm có tính hàn tốt bao gồm chủng loại 304, 310, 316 b Thép khơng gỉ ferit: thép có chứa 13 – 18% Cr (một số mác thép thành phần Cr lên tới 29%) [16] hàm lƣợng cacbon thấp < 0,1% Đặc điểm nhóm có tình chống ăn mịn cao Cơng dụng nhóm sử dụng mơi trƣờng khí hậu biển, nƣớc biển, mơi trƣờng axít, cơng nghiệp hóa dầu c Thép khơng gỉ mactenxit: nhóm thép có chứa 12 – 18% Cr 0,15 – 0,3% C Nhóm thép có tính chống ăn mịn cao khơng khí, nƣớc máy, nƣớc sông axit HNO3 Công dụng phổ biến làm đồ trang sức, ốc vít khơng gỉ, chịu nhiệt (< 4500C), ổ bi chống ăn mịn d Thép khơng gỉ duplex (còn gọi thép hai pha ferit – austenit): nhóm thép có chứa 22 – 25% Cr, – 7% Ni tới – 4% Mo [16] Duplex thép không gỉ nhất, vật liệu kết hợp vật liệu austenit ferit Vật liệu có độ bền cao khả chống ăn mịn vƣợt trội e Thép khơng gỉ biến cứng kết tủa: Thép không gỉ biến cứng kết tủa 14 nhóm thép khơng gỉ quan trọng có độ bền cao, khả chống ăn mịn, chống oxi hóa tốt dễ gia cơng chế tạo Thép loại đƣợc bền hóa theo chế hình thành mactenzit, bền hóa phân tán kết hợp hai 1.1.1.2 Thành phần hóa học tính vật liệu thép không gỉ Thép không gỉ sử dụng liên kết hàn nghiên cứu đề tài thép không gỉ austenit ASTM A240 316L (tƣơng đƣơng với mác thép SA240 SS316L theo tiêu chuẩn ASME) Thành phần hóa học thép khơng gỉ austenit ASTM A240 316L đƣợc cho bảng 1.1 Bảng 1.1: Thành phần hóa học thép khơng gỉ A240 316L [20] Thành phần hóa học (%) Vật liệu ASTM A240 316L C Mn 0.03 2.0 P S Si Cr 0.045 0.03 0.75 16-18 Ni Mo 10-14 2.0-3.0 Cơ tính thép không gỉ A240 316L đƣợc cho bảng 1.2 Bảng 1.2: Cơ tính thép khơng gỉ A240 316L [20] Cơ tính Vật liệu Trạng thái Độ bền kéo Giới hạn chảy Độ giãn dài (MPa) (MPa) tƣơng đối (%) 485 170 - ASTM A240 316L 1.1.1.3 Tính hàn thép khơng gỉ austenit a Nứt nóng kim loại mối hàn vùng ảnh hƣởng nhiệt Trên hình 1.2 sơ đồ kết tinh kim loại mối hàn túy austenit Các tinh thể austenit (chúng có nhiệt độ nóng chảy cao) kết tinh trƣớc, hình thành dần kim loại đắp cuối giai đoạn kết tinh tinh thể này, pha lỏng có nhiệt độ nóng 15 chảy thấp độ bền thấp (cùng tinh) bị tinh thể đẩy vào vùng tinh giới để kết tinh sau Do chuyển biến pha rắn, q trình nguội, tinh thể kim loại có kích thƣớc lớn, tiết diện lớn diện tích bề mặt nhỏ (hạt thơ); lớp tinh tinh thể có chiều dày lớn Độ bền khả biến dạng kim loại nhƣ nhỏ Sự co ngót kim loại mối hàn ứng suất kéo tăng trình nguội gây nứt nóng Kiểu kết tinh đặc trƣng cho hàn nhiều lớp, tinh thể lớp sau lớn lên từ tinh thể lớp trƣớc (quá trình kết tinh kim loại mối hàn mang tính định hƣớng cao) [1] Hình 1.2 Kết tinh kim loại mối hàn pha [1] Khi mối hàn có tổ chức kim loại hai pha austenit () delta ferit (), tƣợng nứt nóng đƣợc khắc phục Trên hình 1.3 sơ đồ kết tinh mối hàn thép austenit với kim loại mối hàn có tổ chức Hình 1.3 Kết tinh kim loại mối hàn hai pha + [1] Vai trị ngăn nứt nóng ferit liên quan đến q trình kết tinh sơ cấp kim loại mối hàn nhƣ sau: lúc kết tinh đồng thời xuất pha sơ cấp có tác 16 dụng làm định hƣớng kết tinh kim loại mối hàn, tức làm giảm tiết diện cột tinh thể làm mịn lớp tinh thể, đƣợc chia cách đoạn ferit sơ cấp Các nguyên tố ổn địng ferit (Si,Al, Mo) có tác dụng khử lƣu huỳnh vũng hàn (làm giảm lƣợng sunphit tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp) Nhƣ tác dụng ferit hòa tan tạp chất giảm tƣợng thiên tích Nứt nóng có đặc trƣng nứt tinh thể, chủ yếu dƣới dạng cấu trúc hạt thô tinh thể kết tinh lớp sau nối tiếp lớp trƣớc Nứt nóng xuất hàn, nhiệt luyện vận hành kết cấu nhiệt độ cao Cần lƣu ý hàn, nứt nóng sảy không kim loại mối hàn mà vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) Để khắc phục tƣợng nứt nóng, sử dụng biện pháp sau: - Làm mịn hạt tinh thể cho hạt kết tinh cách làm định hƣớng chúng, giảm chiều dày lớp tinh, để kim loại mối hàn chứa lƣợng định ferit sơ cấp - Sử dụng vật liệu hàn chứa tạp chất P, S (dây hàn, lõi que hàn qua tinh luyện chân không tinh luyện điện xỉ) - Giảm trị số thông số hàn nhƣ lƣợng đƣờng, tiết diện mối hàn, lƣợng kim loại hòa tan vào mối hàn Vấn đề lƣợng ferit cần thiết cho kim loại mối hàn có tầm quan trọng chọn vật liệu chế độ công nghệ hàn thép austenit Giản đồ Scheaffler (có từ năm 1949), hình 1.1, đƣợc dùng để đánh giá nhanh tổ chức kim loại dựa sở thành phần thép Cr – Ni Tỷ lệ % ferit kim loại mối hàn đƣợc xác định phƣơng pháp kim tƣơng Tuy nhiên điều thuận tiện cho điều kiện sản xuất hàn Giản đồ Delong (hình 1-4) đƣợc đƣa sử dụng từ năm 1974 khắc phục đƣợc nhƣợc điểm Schaeffler Nó tính tới vai trị nitơ tổ chức kim loại thép kết hợp với phƣơng pháp đo từ tính để giúp xác định nhanh lƣợng ferit kim loại mối hàn, thông qua số gọi số ferit (FN: ferit number) 17 Với giản đồ Delong tỷ lệ % ferit thấp số FN xác Các kim loại khác cần số FN khác Với thép không gỉ 316L cần 3FN Khi hàn, để đạt đƣợc lƣợng ferit nhà sản xuất que hàn khuyến cáo cần sử dụng quy trình hàn: - Tránh sử dụng lƣợng đƣờng lớn (dùng que hàn có đƣờng kính nhỏ, khơng dao động ngang hàn, làm nguội nhanh mối hàn), không lƣợng ferit tăng, làm giảm khả chống ăn mòn - Tránh sử dụng chiều dài hồ quang lớn (mức độ bảo vệ không đầy đủ) không làm tăng lƣợng nitơ mối hàn, gây mức austenit hóa mối hàn cao, tức làm giảm lƣợng ferit cần thiết Hình 1.4 Giản đồ Delong số ferit FN [28] b Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt thép bền nhiệt nhiệt độ cao Hiện tƣợng giòn kim loại thép chịu nhiệt thép bền nhiệt austenit liên quan chủ yếu đến trình vận hành kết cấu hàn nhiệt độ cao Tốc độ nguội hàn cao có tác dụng giữ nguyên tổ chức kim loại ổn định vùng có nhiệt độ 18 cao Sau đó, q trình vận hành dải nhiệt độ từ 3500C trở lên, tƣợng khuếch tán làm thay đổi tổ chức kim loại, dẫn đến suy giảm tính dẻo kim loại mối hàn Kim loại mối hàn thép chịu nhiệt thép bền nhiệt bị giịn thơng qua tƣợng hóa già nhiệt vùng 350÷5000C Đây vùng giịn 4750C Ngồi giữ mối hàn có tổ chức hai pha (austenit + ferit) thời gian đủ lâu vùng 500÷6500C gây nên hóa già tiết pha cacbit Cr23C6 [1] Hợp kim hóa kim loại mối hàn Ti Nb có tác dụng liên kết cacbon thành hạt cacbit TiC NbC bền vững, mịn phân tán hạt kim loại austenit, không tạo điều kiện cho Cr liên kết với cacbon Giữ kim loại vùng 7008500C có tác dụng đẩy mạnh trình tiết pha sigma (pha làm giòn mối hàn nhiệt độ thấp làm giảm giới hạn bền nhiệt độ cao) Các nguyên tố ổn định hóa ferit nhƣ Ti Nb có tác dụng thúc đẩy q trình Do biện pháp tích cực để loại bỏ pha cacbit crôm sigma giảm lƣợng cacbon kim loại mối hàn c Suy giảm tính thép khơng gỉ austenit hệ số giãn nở nhiệt lớn Thép khơng gỉ austenit có hệ số giãn nở nhiệt lớn nhiều so với thép thƣờng Khi hàn nhiều lớp, kim loại vùng ảnh hƣởng nhiệt lớp hàn bị nung nóng nhiều lần, làm cho chúng bị biến dạng nhiệt (biến cứng) Có bốn yếu tố làm giảm tính kim loại vùng ảnh hƣởng nhiệt lớp hàn [1]: - Thứ nhất: Chu trình nhiệt hàn hàn làm giảm tính dẻo độ bền, dẫn đến nứt liên kết hàn - Thứ hai: Khuếch tán làm tăng lƣợng cacbon ôxy vùng ảnh hƣởng nhiệt Cùng với tạp chất có hại, chúng tạo thành tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp - Thứ ba: Vùng ảnh hƣởng nhiệt đƣợc giữ lại thời gian dài nhiệt độ vận hành cao, làm cho pha mịn cacbit pha sigma bị cầu hóa, gây nên tƣợng giịn - Thứ tƣ: Q trình tiết pha cacbit sigma () kim loại mối hàn kết hợp với ứng suất dƣ sau hàn có tác dụng làm giảm tính dẻo làm cục hóa biến dạng vùng ảnh hƣởng nhiệt gây nứt ... NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT HÀN KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 6052013 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG... có suất cao để hàn hai loại vật liệu khác nhƣ thép cacbon thấp thép không gỉ cấp thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài ? ?Nghiên cứu thông số ảnh hưởng đến suất hàn hàn thép không gỉ với thép các- bon... pháp hàn thép cacbon thép không gỉ 32 3.1.1 .Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn nổ (Explosive Welding Process) 32 3.1.2 Hàn thép cacbon với thép không gỉ phƣơng pháp hàn