Lịch sử nghiên cứu
Công nghệ hàn thép khác chủng loại đã tồn tại từ lâu, nhưng nghiên cứu chuyên sâu về các khía cạnh cụ thể chỉ phát triển mạnh mẽ sau năm 2000 Bài viết này sẽ giới thiệu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến hàn thép cacbon và thép không gỉ.
Năm 2012, Acosmin đã thực hiện nghiên cứu về quy trình hàn ống thép cacbon và thép không gỉ, trong đó tác giả đã trình bày quy trình hàn cho các loại ống thép khác nhau, lựa chọn vật liệu hàn phù hợp và phân tích ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng mối hàn.
Năm2013Shamsul_Baharin_Jamaludin có bài nghiên cứu về cơ tính của liên kết hàn khi hàn thép không gỉ mác 304 với thép cacbon thấp Trong nghiên cứu này
Shamsul Baharin Jamaludin đã tiến hành hàn bằng hai vật liệu khác nhau, thép 308L-16 và E6013, để so sánh độ bền chảy và độ bền kéo của chúng khi thử kéo Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong các chỉ tiêu độ bền của hai vật liệu này.
1 Thép không g 304 có th ỉ ể đƣợc hàn v i thép cacbon th p b ng v t u hàn là ớ ấ ằ ậ liệ thép không gỉ 308L-16 ho c bằặ ng thép cacbon thường
Độ ề b n kéo c a m u hàn s dủ ẫ ử ụng điện c c hàn thép cacbon th p thường thấp hơn so với m u hàn s dớ ẫ ử ụng điện c c hàn b ng thép không g Tuy nhiên, cả hai loại đều phải đáp ứng yêu cầu về độ ề b n kéo cần thiết cho mầ ủ ối hàn.
Các khuyết tật thường xuất hiện ở phía vật liệu cơ bản là thép cacbon thấp và vùng ảnh hưởng nhiệt bên cạnh thép không gỉ cao hơn so với thép cacbon.
Năm 2017 tác giả Lê Thị Nhung cùng các cộng sự của mình có bài nghiên cứu về
Sự hình thành δ ferit trong mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon khi sử dụng điện cực E309L 16 đã được nghiên cứu Phân tích ảnh tổ chức tế quang vi học và nhả SEM cho thấy sự thay đổi hình thái của δ ferit từ biên giới nóng chảy vào tâm mối hàn, với hình dáng dạng sợi mảnh δ ferit được hình thành trong quá trình đông đặc, với sự hiện diện tại biên giới nóng chảy và đều trục tại tâm mối hàn Giản đồ Schaffler và phần mềm Image plus được sử dụng để tính tỷ phần của δ ferit trong kim loại mối hàn Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi hàm lượng δ ferit tăng, độ cứng của kim loại mối hàn giảm.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn:
Mục tiêu của luận văn này là thông qua quá trình hàn thực nghiệm, làm rõ một số vấn đề sau sau:
- Đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ
- Phân tích, đánh giá đƣợc cấu trúc của liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ
Hàm lượng cacbon có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành cacbit trong liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ Nghiên cứu này tập trung phân tích và đánh giá mối quan hệ giữa hàm lượng cacbon và sự hình thành cacbit, từ đó làm rõ những yếu tố tác động đến chất lượng liên kết hàn Phạm vi nghiên cứu bao gồm các loại thép cacbon khác nhau và thép không gỉ, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của cacbon trong quy trình hàn.
- Đối tƣợng nghiên cứu là thép tấm cacbon CCT38, C50 và thép không gỉ SUS304
- Chiều dày mẫu nghiên cứu : Thép tấm dày 12mm
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, từ đó xác định các quy trình hàn hợp lý cho các cặp vật liệu khác nhau Dựa vào các tiêu chuẩn kiểm tra, danh sách các phép thử được lập ra nhằm thu thập kết quả thực nghiệm Các kết quả này sẽ được sử dụng để giải quyết các yêu cầu của đề bài luận văn.
TỔNG QUAN VỀ HÀN THÉP KHÁC CHỦNG LOẠI
Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Hiện nay, nghiên cứu công nghệ hàn cho các vật liệu khác chủng loại ở nước ta vẫn còn hạn chế, với số lượng công trình nghiên cứu và công ty sản xuất sản phẩm theo công nghệ này rất ít.
Lý thuyết công nghệ hàn nóng chảy được tác giả Ngô Lê Thông tổng hợp trong bộ sách "Công nghệ hàn nóng chảy 2" Trong tài liệu này, tác giả đã trình bày lý thuyết tổng quát về hàn các loại vật liệu thép khác nhau.
Các kim loại và hợp kim của chúng có sự khác biệt rõ rệt về tính chất vật lý, hóa học và cơ tính Những khác biệt này ảnh hưởng đến khả năng tương tác của chúng trong quá trình hàn, bao gồm độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn Việc hiểu rõ các tính chất này là cần thiết để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng hàn, đảm bảo chất lượng và độ bền của mối hàn.
- Các nguyên tắc hàn các vật liệu khác chủng loại
- Đặc điểm công nghệ hàn và các phương pháp hàn các loại thép khác chủng loại với nhau
Công nghệ hàn kim loại đang được ứng dụng trong ngành công nghiệp quốc phòng, đặc biệt trong việc chế tạo ca nô và xuồng máy tốc độ cao Mặc dù đã sản xuất thành công tàu cao tốc vỏ nhôm với tải trọng lớn, việc hàn trực tiếp giữa nhôm và thép vẫn chưa được thực hiện Để tạo liên kết nhôm – thép dạng chữ T, các công ty phải nhập khẩu vật liệu trung gian 2 lớp (nhôm - thép) hoặc 3 lớp (hợp kim nhôm - nhôm và thép) Mặc dù phương pháp này đảm bảo chất lượng và độ tin cậy, nhưng nó làm phức tạp cấu trúc, tăng chi phí và thời gian chế tạo do số lượng mối hàn gấp đôi và yêu cầu gia công nhiều hơn, cùng với chi phí và thời gian nhập khẩu vật liệu trung gian.
Tác giả Vũ Đình Toại trong luận án tiến sĩ đã nghiên cứu công nghệ hàn nhôm với thép cacbon bằng phương pháp hàn TIG dạng liên kết chữ T, đạt được nhiều thành quả có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn Những đóng góp mới và quan trọng của tác giả đã mang lại sự tiến bộ trong lĩnh vực này.
- Xây dựng được chương trình tính toán thiết k tế ối ưu liên kết hàn hybrid nhôm thép d ng ch T (m– ạ ữ ột dạng kết cấu mới, phi tiêu chuẩn)
Mô phỏng quá trình hàn TIG giữa nhôm và thép giúp đánh giá khả năng hình thành liên kết hàn giữa hai loại vật liệu khác biệt Qua đó, chúng ta có thể dự đoán các khuyết tật có thể xảy ra trong quá trình hàn, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm.
Xây dựng mối quan hệ giữa năng lượng đường và các yếu tố quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38 là rất quan trọng Từ đó, có thể lựa chọn dải năng lượng đường phù hợp, đảm bảo tạo ra liên kết hàn chất lượng giữa nhôm AA1100 và thép CCT38 thông qua quá trình hàn TIG.
Để thực hiện liên kết hàn hybrid nhôm-thép với độ dày mỏng, cần tìm ra các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp, bao gồm hàn hai phía và không sử dụng vật liệu trung gian trong quá trình hàn TIG Mặc dù có một số nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và vật liệu đến liên kết hàn thép khác loại, nhưng số lượng bài báo này còn hạn chế.
1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:
Công nghệ hàn thép, đặc biệt là hàn thép không gỉ với thép carbon, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo chi tiết máy và các kết cấu đặc biệt Các ứng dụng này bao gồm trục động cơ, bánh răng dẫn động, vỏ lò hơi, lò nhiệt, cũng như các thiết bị y tế và hàng không vũ trụ.
Trong ngành công nghiệp nặng, các công ty lớn như Mitsubishi Heavy Industries và Swanton Welding Company đã áp dụng công nghệ hàn để kết hợp các vật liệu khác nhau, đặc biệt là hàn thép cacbon với thép không gỉ Ứng dụng này chủ yếu được sử dụng trong việc chế tạo các kết cấu lớn như vỏ lò luyện thép và lò hơi trong xử lý thiết bị y tế.
Các hãng xe hơi lớn như Mercedes Benz, BMW, và Audi, cùng với các nhà sản xuất tàu hỏa như ICE và TGV, đã thành công trong việc chế tạo sản phẩm với vỏ nhôm hợp kim, mang lại độ bền cao và tuổi thọ lớn Việc giảm đáng kể khối lượng sản phẩm cũng là một ưu điểm nổi bật Để hàn nhôm với các vật liệu khác, nhiều quá trình hàn đặc biệt đã được áp dụng, kết hợp với các nghiên cứu giá trị từ nhiều tác giả.
Kết luận 1
Công nghệ hàn các vật liệu thép khác chủng loại có nhiều các ƣu điểm vƣợt trội nhƣ:
Tạo ra các chi tiết có các tính chất khác nhau tại các vị trí khác nhau, giảm giá thành chế tạo, giảm chi phí vận hành, bảo dƣỡng
Nhu cầu sử dụng các chi tiết máy và sản phẩm đa dạng về vật liệu ngày càng tăng do ưu điểm về hiệu suất và giá thành Tuy nhiên, nghiên cứu về công nghệ hàn vẫn còn hạn chế, đòi hỏi cần có sự quan tâm và phát triển hơn nữa Việc nghiên cứu sâu về công nghệ hàn sẽ giúp cải thiện quá trình gia công chế tạo, từ đó nâng cao hiệu quả và tính ưu việt trong việc sử dụng các sản phẩm ứng dụng công nghệ này.
CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN THÉP KHÁC CHỦNG LOẠI
Mục đích
Chương này nhằm trình bày cơ sở khoa học trong việc hàn các loại thép khác nhau, phân tích đặc điểm hàn nóng chảy của thép cacbon và thép không gỉ Nó cũng xem xét các ứng xử khác nhau của các loại vật liệu trong quá trình hàn, đồng thời phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến sự hình thành liên kết hàn Cuối cùng, chương sẽ lựa chọn các vật liệu hợp lý để chuẩn bị cho quá trình hàn và nghiên cứu thực nghiệm trong chương 3.
Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn nóng chảy
Để hàn các loại thép khác nhau, cần nghiên cứu kỹ tính chất và ứng xử của từng vật liệu trong quá trình hàn Việc hiểu rõ ảnh hưởng của các kim loại đến mối hàn là rất quan trọng Dựa trên những nghiên cứu này, chúng ta có thể đề xuất các giải pháp kỹ thuật và công nghệ nhằm tạo ra các liên kết hàn chất lượng cao.
2.2.1 Ứng xử của thép cacbon khi hàn nóng chảy
Thép được phân loại thành thép cacbon thấp, trung bình và cao dựa trên hàm lượng cacbon Tính hàn của các loại thép này khác nhau; thép có hàm lượng cacbon cao thường có tính hàn kém hơn Khi hàn, thép cacbon cao dễ hình thành các tổ chức không có lợi, dẫn đến hiện tượng nứt trong và sau quá trình hàn Để hàn các vật liệu này, cần quy trình công nghệ tốt, bao gồm việc chọn kim loại hàn phù hợp, sử dụng que hàn bazơ ít hydro, và áp dụng các phương pháp giảm lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn Ngoài ra, nung nóng sơ bộ trước và sau khi hàn cũng rất quan trọng để đảm bảo mối hàn có đặc tính cơ lý tốt.
Thép có hàm lượng cacbon trung bình hoặc thấp thường có tính hàn tốt hơn, thuộc loại thép các bon thông dụng, thường là thép cán nóng không qua nhiệt luyện Các kết cấu chế tạo từ loại thép này thường không trải qua quá trình nhiệt luyện, dẫn đến cấu trúc chủ yếu là Ferrite Hàm lượng các nguyên tố hợp kim như Mn, Si cũng rất thấp, chỉ được coi là tạp chất có lợi với ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất của thép Mối hàn từ thép này thường không bị nứt nóng, nhưng với hàm lượng cacbon trên 0.2% và tấm dày hơn 15 mm, mối hàn góc một lớp có thể gặp nứt nóng do tốc độ nguội lớn Biện pháp khắc phục thường được áp dụng là nung nóng sơ bộ chi tiết hàn.
2.2.2.Ứng xử của thép không gỉ khi hàn nóng chảy
Thép không gỉ là loại thép có hàm lượng carbon thấp (< 0,1%) nhưng lại chứa nhiều nguyên tố hợp kim So với thép carbon, thép không gỉ có hệ số dẫn nhiệt thấp và hệ số dãn nở nhiệt cao, điều này có thể dẫn đến ứng suất gia tăng trong quá trình nguội khi hàn.
Khi hàn thép không gỉ Austenit có những vấn đề chính sau đây(Nguồn [1]):
1 N t nóng m i hàn và vùng ứ ố ảnh hưởng nhi t ệ
2 Giòn kim lo i m i hàn thép ch u nhi t và thép b n nhiạ ố ị ệ ề ệt ở nhiệ ột đ cao
3 Suy giảm cơ tính của thép do h s giãn n nhiệ ố ở ệt cao
4 Phá h y liên kủ ết hàn thép do ăn mòn tinh giới
5 Phá h y liên kủ ết hàn thép do ăn mòn dưới ứng su t ấ
Để khắc phục các ảnh hưởng khi hàn thép không gỉ, cần làm mịn các hạt tinh thể bằng cách giảm tính định hướng của chúng và giảm chiều dày lớp cùng tinh Điều này giúp kim loại mối hàn có chứa một lượng nhất định ferit sơ cấp.
- Sử dụng vật liệu hàn chứa ít tạp chất S, P, giảm lƣợng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn
- Khử ứng suất dƣ, khử biến cứng, tạo tính đồng nhất cho liên kết hàn, kết hợp ủ ổn định hóa tổ chức kim loại mối hàn
Công nghệ hàn nóng chảy thép khác chủng loại
2.3.1 Đặc điểm khi hàn nóng chảy thép khác chủng loại
Mặc dù hàn gặp nhiều khó khăn, nhưng các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại đa dạng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ vào lợi ích kinh tế và kỹ thuật Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực như kỹ thuật nhiệt lạnh, năng lượng, đóng tàu, kỹ thuật điện, hàng không và tên lửa Sự phát triển này tạo ra những yêu cầu mới cho công nghệ hàn và kỹ thuật nối ghép các loại vật liệu khác nhau.
Các kết cấu kim loại có thể chứa các liên kết hàn giữa các loại thép khác nhau, bao gồm thép các bon, thép không gỉ và thép hợp kim Việc hàn các cặp kim loại khác loại có thể thực hiện qua các quá trình hàn ở trạng thái rắn hoặc trạng thái lỏng Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc thù về vật liệu và yêu cầu kết cấu, hàn ở trạng thái rắn không đáp ứng được yêu cầu chế tạo như hàn ở trạng thái nóng chảy Do đó, các phương pháp hàn nóng chảy thường được ưu tiên sử dụng Các kỹ thuật hàn phổ biến cho các cặp kim loại khác loại bao gồm hàn TIG, hàn MIG, hàn Plasma và hàn bằng các nguồn năng lượng cao như chùm tia Laser và chùm tia điện tử.
Khi xem xét tính hàn của các cặp kim loại khác nhau, chúng ta nhận thấy sự khác biệt rõ rệt về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, và các tính chất lý - hóa, đặc biệt là hệ số dãn nở nhiệt Ngoài ra, cấu trúc mạng tinh thể và thông số mạng cũng có thể khác nhau Đối với các kim loại có hoạt tính mạnh như titan, niobi, tantan và molybden, mức độ hòa tan lẫn nhau để tạo thành dung dịch rắn không cao, dẫn đến việc hình thành các hợp chất hóa học giữa các kim loại trong quá trình hàn, với đặc điểm là rất giòn và cứng (tổ chức liên kim – IMC).
Quá trình hình thành liên kết hàn vững chắc giữa các cặp vật liệu khác chủng loại diễn ra qua hai giai đoạn chính, theo tài liệu [1].
Trong giai đoạn chuẩn bị, các kim loại được đưa lại gần nhau với khoảng cách đủ để hình thành liên kết nguyên tử Điều này có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm quá trình thấm ướt pha lỏng vào bề mặt rắn của kim loại (như trong hàn nóng chảy và hàn vảy), biến dạng dẻo của hai kim loại ở trạng thái rắn (như trong hàn áp lực và cán dính), hoặc thông qua quá trình khuếch tán (như trong hàn khuếch tán).
Giai đoạn kết thúc là quá trình hình thành liên kết vững chắc, trong đó các tương tác lượng tử giữa các điện tử đóng vai trò quan trọng Điều này dẫn đến việc hình thành liên kết kim loại trong kim loại nguyên chất hoặc liên kết hóa trị trong các hợp chất hóa học, liên kim và oxit.
Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quá trình hàn MIG để hàn cặp thép không gỉ và thép cacbon ở trạng thái nóng chảy Bài viết tập trung vào các đặc điểm và cơ chế hình thành liên kết hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon thông qua quá trình khuếch tán và kết tinh kim loại, sử dụng nguồn nhiệt từ hồ quang điện.
Theo các tài liệu, yếu tố thời gian và điều kiện trong các giai đoạn tương tác vật lý và hóa học quyết định đến độ bền của liên kết hàn và khả năng hình thành hợp chất hóa học Sự tương tác giữa các điện tử tại bề mặt tiếp xúc cần năng lượng kích thích để hoạt hóa, có thể là nhiệt năng, cơ năng hoặc bức xạ.
Khi hàn các cặp kim loại khác loại ở trạng thái nóng chảy, nguyên tử được đưa gần nhau thông qua sự thấm ướt của kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn lên bề mặt đã được hoạt hóa của kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, nhờ vào nguồn nhiệt hàn.
Khi liên kết giữa các kim loại khác chủng loại xảy ra, quá trình khuếch tán bị cản trở do sự phục hồi nhiệt, dẫn đến sự trễ trong tương tác hóa học Nguyên nhân của sự trễ này là do các nguyên tử tại bề mặt tự do của kim loại rắn hoặc lỏng không đạt trạng thái cân bằng, do thiếu liên kết hoặc do các liên kết yếu chịu tác động từ môi trường Kết quả là năng lượng lớp bề mặt (ES) tăng lên so với năng lượng (E0) cần thiết để các nguyên tử di chuyển bên trong vật liệu.
Khi hàn các kim loại khác loại ở trạng thái nóng chảy, sự tiếp xúc nhanh chóng giữa kim loại lỏng và kim loại rắn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn tạo ra đỉnh năng lượng giữa các pha (EB) Quá trình chuyển tiếp của hệ nguyên tử sang trạng thái mới không xảy ra ngay lập tức mà có sự trễ nhất định, điều này xác định giai đoạn trễ trong quá trình hàn.
Nếu thời gian tiếp xúc giữa kim loại lỏng và kim loại rắn trong liên kết hàn ngắn hơn giai đoạn trễ, có thể hình thành liên kết với độ hòa tan hạn chế mà không có lớp hợp chất giòn trung gian (lớp hợp chất liên kim - IMC) Thời gian trễ có thể được xác định bằng công thức cụ thể.
R – thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng) [s].
0 – giai đoạn ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) [s] e – điện tích của điện tử [eV].
E R và E L – năng lƣợng kích thích khuếch tán trong pha rắn và pha lỏng [J] k – hằng số Boltzmann
2.3.2 Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn nóng chảy
Trong công nghệ hàn, hai quá trình khuếch tán kim loại và hình thành pha mới, bên cạnh sự biến đổi tổ chức kim loại, đóng vai trò quyết định trong việc
Trong quá trình khuếch tán, có ba loại chính: tự khuếch tán (nguyên tử A trong nền A), khuếch tán khác loại (nguyên tử B trong nền A với nồng độ thấp hơn) và khuếch tán tương hỗ (cả A và B trong nền A hoặc B) Cả khuếch tán khác loại và khuếch tán tương hỗ đều diễn ra với dòng nguyên tử di chuyển từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp Hình 2.1 minh họa năm cơ chế khuếch tán trong kim loại ở trạng thái rắn, bao gồm cơ chế đổi chỗ, nút trống, đuổi nguyên tử và đổi chỗ kiểu vòng, thường xảy ra trong dung dịch đặc thay thế Đối với dung dịch đặc xen kẽ, cơ chế khuếch tán giữa các nút mạng thường xảy ra khi các nguyên tử khuếch tán có đường kính nhỏ hơn nguyên tử nền.
Quá trình khuếch tán kim loại tuân theo các định luật khuếch tán Fick I và II Để thực hiện quá trình này, các nguyên tử cần có “hoạt năng đủ lớn” để vượt qua các lực liên kết với các nguyên tử xung quanh.
Hình 2.1 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn (nguồn: [7])
Kết luận 2
Hàn các vật liệu khác chủng loại giữa thép cacbon và thép không gỉ đang thu hút sự chú ý lớn trong và ngoài nước, với ứng dụng ngày càng tăng trong nhiều ngành công nghiệp như kỹ thuật nhiệt lạnh, hóa chất, thực phẩm, năng lượng, đóng tàu, y tế, hàng không vũ trụ và công nghệ cao Xu hướng giảm giá thành và tăng tuổi thọ trong kết cấu kim loại, cùng với việc sử dụng vật liệu chống ăn mòn, đã dẫn đến việc kết hợp nhiều loại vật liệu trong một chi tiết hoặc kết cấu Để hàn thành công các vật liệu khác chủng loại, cần giảm thiểu thời gian kim loại ở trạng thái lỏng để hạn chế kích thước lớp giòn từ các pha liên kim bất lợi Các biện pháp công nghệ như bảo vệ kim loại khỏi không khí bên ngoài và ngăn ngừa hình thành pha cacbit giòn, cứng thông qua công nghệ hàn và chọn vật liệu hàn thích hợp là rất quan trọng Chương này sẽ đi sâu vào các đặc điểm, tính chất và tính hàn của các loại vật liệu cơ bản, cũng như nghiên cứu sự hàn giữa thép không gỉ austenit SUS304 và thép CCT38 C50, từ đó đề xuất các biện pháp kỹ thuật phù hợp cho quá trình hàn thử nghiệm.
Để hàn thành công thép cacbon với thép không gỉ SUS304, cần thực hiện phối hợp và áp dụng đồng bộ các phương pháp nghiên cứu đã đề cập trong luận văn.
3 nhóm giải pháp kỹ thuật sau đây:
Giải pháp vật liệu cho quá trình hàn là sử dụng loại GM308L, với thành phần hợp kim cao (Cr, Ni), đảm bảo các chỉ tiêu cơ lý hóa phù hợp với kim loại cơ bản.
Giải pháp kết cấu hiệu quả bao gồm việc vát mép các tấm thép hợp lý và chọn tư thế hàn thích hợp để hạn chế lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn, từ đó giảm chiều sâu ngấu và tránh hiện tượng chênh lệch lớn hàm lượng cacbon tại biên giới các đường chảy Trong quá trình hàn, cần tránh hiện tượng ôxi hoá nhằm giảm mức năng lượng hoạt hóa, đồng thời kẹp chặt chi tiết hàn bằng đồ gá và đảm bảo đúng kích thước khe hở hàn.
Giải pháp về công nghệ: Sử dụng quá trình hàn ít hydro, có khí trơ bảo vệ (MIG)
Để làm sạch dầu mỡ và bụi bẩn trên phôi, đặc biệt là mép hàn, cần sử dụng phương pháp cơ học như bàn chải thép không gỉ và giấy ráp, tránh dùng thuốc hàn do khó khăn trong xử lý thuốc dư Nên áp dụng năng lượng đường thấp, kiểm soát vũng hàn nhỏ, hàn với tốc độ cao và thực hiện hàn nhiều lớp Cần kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn, bao gồm nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại Để hồ quang được tập trung và không bị thổi lệch, hãy sử dụng khí
Ba nhóm giải pháp này sẽ cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho nghiên cứu thực nghiệm, nhằm tạo ra liên kết có cơ lý tính tốt giữa hàn thép cacbon và thép không gỉ austenit, như đã đề cập trong phần mở đầu.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN MIG LIÊN KẾT GIÁP MỐI GIỮA THÉP CACBON VỚI THÉP KHÔNG GỈ
Mục đích
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là tạo ra liên kết hàn giữa thép cacbon với hàm lượng cacbon khác nhau và thép không gỉ thông qua liên kết hàn giáp mối Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết đã trình bày ở chương 2, nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính, tổ chức tế vi và quá trình hình thành pha cacbit khi hàn thép cacbon với thép không gỉ.
Quá trình thực nghiệm hàn liên kết giữa thép cacbon và thép không gỉ được thực hiện bằng phương pháp hàn giáp mối trên mẫu có độ dày 12 mm, sử dụng các trang thiết bị và dụng cụ chuyên dụng.
Trang thiết bị thínghiệm
Trong công nghệ hàn, chất lượng của liên kết hàn phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: thiết bị, vật liệu, con người và quy trình công nghệ hàn Thiết bị hàn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra liên kết hàn, đặc biệt khi hàn thép cacbon với thép không gỉ Để giảm thiểu rủi ro do thiết bị, cần lựa chọn thiết bị hàn tiên tiến với các chức năng và đặc tính kỹ thuật như hiển thị chính xác thông số công nghệ qua đồng hồ digital, hoạt động ổn định nhờ hệ thống ổn áp, điều khiển inverter cho dòng hàn mịn, khả năng điều chỉnh vô cấp các thông số công nghệ, hiệu suất làm việc cao, và mạch thông minh để ngăn ngừa quá nhiệt hoặc quá điện Thiết bị cũng cần có chức năng hàn 4T để hỗ trợ quá trình hàn cơ giới hóa, cùng với công suất đủ lớn và hiệu suất cao.
Trong luận văn này, thiết bị hàn được nghiên cứu là máy hàn WIM MIGWELD 280ESF đến từ Malaysia Hình ảnh và các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị được trình bày trong hình 3.1.
- Chu kỳ làm việc tại 60%: 250A/27V
- Khả năng hàn dây: 0.6- 0.8-1.0-1.2mm
- Tốc độ ra dây: 1-17m/phút
Hình 3.1 Thiết bị hàn WIM MIGWELD 280ESF của Malaysia
3.2.2 Các trang thiết bị phụtrợ
Trang thiết bị hàn là yếu tố thiết yếu cho thợ hàn, giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng mối hàn Sử dụng trang thiết bị tốt không chỉ mang lại cảm giác hàn tốt nhất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thao tác Dưới đây là một số trang thiết bị thường được sử dụng trong quá trình hàn thực nghiệm.
Bảng 3.1 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng
TT Loại dụng cụ/ thiết bị Mục đích sử dụng
1 Mũ hàn - Dùng bảo vệ mắt và mặt cho thợ hàn
2 Găng tay da - Dùng bảo vệ tay cho thợ hàn
3 Máy mài cầm tay - Dùng để mài bề mặt tấm thép và mối hàn
4 Bàn chải sợi thép không gỉ Đánh sạch ôxit sắt, chất bẩn, xỉ hàn trên bề mặt tấmthép và mối hàn
Mẫu thínghiệm
3.3.1 Vật liệu mẫu hàn và dâyhàn
Phôi hàn dùng cho thí nghiệm cần đảm bảo đúng mác CCT38, C50 và SUS304 Dây hàn nên được chọn là loại GM-308L, như đã phân tích trong chương 2, và nên ưu tiên lựa chọn từ các hãng uy tín để đảm bảo thành phần hóa học chính xác và ít tạp chất Trong luận văn này, tác giả đã chọn dây hàn GM 308L của nhà máy vật liệu hàn Kim Tín.
Các tấm phôi nhập khẩu cần được làm sạch sơ bộ để loại bỏ bụi bẩn và được bảo quản đúng cách Sau đó, chúng sẽ được cắt thành các tấm nhỏ phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Kích thước của các tấm phôi cần đảm bảo đủ mẫu sau khi hàn thử nghiệm để tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý và hóa tính theo tiêu chuẩn AWS D1.1 Tác giả đã chọn phôi với kích thước 200 x 150 x 12 mm Sau khi cắt, tấm thép sẽ được làm sạch và mài vát mép bằng máy mài cầm tay hoặc máy gia công cơ khí.
Hình 3.2 Dạng chuẩn bị liên kết hàn theo quy phạm AWS D1.1
Hình 3.3 Các mẫu phôi thí nghiệm
Xây dựng thí nghiệm
3.4.1 Sơ đồ gá kẹp và hàn đính mẫu thínghiệm
Liên kết hàn trong luận văn này chủ yếu tập trung vào hàn giáp mối giữa các tấm thép Công nghệ hàn cho loại liên kết này không đòi hỏi yêu cầu cao về công tác gá kẹp.
Tác giả đã tiến hành hàn trên thép tấm dày 12 mm với các cạnh hàn vát mép chữ V và tư thế hàn bằng (1G), giúp đơn giản hóa quy trình mà không cần sơ đồ gá kẹp phức tạp Việc chuẩn bị mặt bằng hàn tốt và không gian rộng rãi là cần thiết để thợ hàn thao tác thuận lợi, với góc nghiêng mỏ hàn từ 15-20 độ Tuy nhiên, khi hàn thép cacbon và thép không gỉ austenit, mẫu hàn thường bị biến dạng do độ biến dạng nhiệt lớn của thép không gỉ Để khắc phục tình trạng cong vênh sau hàn, tác giả đã áp dụng phương pháp hàn đính và tạo góc biến dạng ngược khoảng 12-15 độ cho liên kết hàn Sơ đồ bố trí mẫu hàn và hàn đính được thể hiện trong hình 3.4 và 3.5.
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí mẫu hàn và thiết bị hàn khi thí nghiệm
Hình 3.5 Hàn đính khi thí nghiệm 3.4.2 Các chế độ hàn và quy trình thí nghiệm
Để đạt được mối hàn chất lượng, việc lựa chọn đúng các thông số chế độ hàn và điều kiện hàn là rất quan trọng Trong quá trình hàn, cần duy trì sự ổn định của các thông số đã được thiết lập Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn đến khả năng hình thành liên kết hàn tập trung vào ba yếu tố cơ bản: dòng điện hàn, điện áp hàn và tốc độ hàn Từ ba thông số này, chúng ta có thể xác định năng lượng đường sử dụng trong quá trình hàn.
Năng lượng đường q được tính theo công thức: q = U h I h /V h, trong đó hiệu suất của quá trình hàn MIG là 0,8 Hai thông số U h và I h không độc lập mà phụ thuộc vào đặc tuyến ngoài của máy hàn, do đó cần điều chỉnh máy và hàn thử trên phôi vụn để xác nhận các cặp (U h, I h) hoạt động ổn định Để đạt được chế độ hàn thích hợp, tác giả đã dựa vào các thông số lý thuyết từ nhà sản xuất, cụ thể là thông số hàn cho dây GM 308L được cung cấp trong bảng.
Bảng 3.2 Các thông số hàn lý thuyết cho dây hàn GM308L Đường kính (mm) 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4
Dòng điện hàn (A) 80 ~120 90~130 100~140 110~200 140~280 Điện thế hàn (V) 20 ~ 21 20~22 22~24 23~25 24~26
Trong luận văn này, tác giả đã lựa chọn dây hàn có đường kính 1mm Để xác định cặp thông số (U h, Ih) phù hợp, tác giả tiến hành hàn thử trên phôi vụn với thông số dòng hàn (I h) trong khoảng 100-140 A, điện áp hàn (U h) từ 22-24 V và lưu lượng khí từ 10-11 lít/phút.
Qua quá trình hàn thử trên phôi vụn tác giả thấy rằng:
Khi hàn ở dòng điện từ 100 đến 130A và điện áp từ 22 đến 24V, vũng hàn sẽ có dạng cầu nhỏ giọt với nhiều tia hồ quang và tiếng nổ lớn Kết quả là vũng hàn tạo thành thường có dạng vón cục, không đủ độ ngấu và không tạo ra liên kết hàn nóng chảy hiệu quả giữa hai loại vật liệu Điều này dẫn đến mối hàn thường không ngấu giữa kim loại mối hàn và kim loại cơ bản, như thể hiện trong hình 3 về khuyết tật không ngấu khi sử dụng chế độ hàn dòng thấp.
Hình 3.6 Khuyết tật không ngấu khi hàn ở dòng thấp
Khi dòng hàn vượt quá 150A, điện áp hàn điều chỉnh trong khoảng 19-20V, dây hàn dễ bị đốt cháy nhanh chóng Để khắc phục, cần tăng tốc độ cấp dây hàn, dẫn đến vũng hàn chảy lỏng nhiều hơn và chiều sâu ngấu tăng đáng kể Điều này khiến thợ hàn phải di chuyển mỏ hàn nhanh hơn, gây khó khăn trong việc điều chỉnh hình dáng và duy trì chiều sâu ngấu một cách hợp lý Kết quả là mẫu hàn bị biến dạng lớn do lượng nhiệt cung cấp vào vũng hàn tăng lên đáng kể.
Hình 3.7 Sự biến dạng mối hàn và gia tăng chiều sâu ngấu khi hàn ở dòng quá cao
- Sau các lần tiến hành hàn thử trên phôi vụn, bằng cách điều chỉnh bộ thông số hàn (U h ;
Dựa trên vật liệu và thiết bị hàn đã đề cập, tác giả đã xác định được bộ thông số tối ưu cho quá trình hàn, như được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.3 Các thông số hàn thực nghiệm cho dây hàn GM 308L Đường kính (mm) 1.0
Dòng điện hàn (A) 140 ~145 Điệnthế hàn (V) 19-22
Tốc độ hàn (mm/phút) 80-100
Sử dụng bộ thông số hàn trong bảng 3.3 giúp đạt được chất lượng mối hàn tốt, chiều sâu ngấu hợp lý và ngăn ngừa hiện tượng cong vênh ở các chi tiết hàn (Hình 3.8) Quy trình hàn được mô tả chi tiết trong bảng 3.4.
Phương pháp hàn: MIG Loại: Hàn bán tự động
Kiểu liên kết: Giáp mép: Đệm lót: N/A
Tiêu chuẩn.: TCVN 1765; TCVN 1766 JIS G4305
Kích thước: Tấm: PL10.0 mm PL20.0 mm Tấm: PL10.0 mm PL20.0 mm
Mác: ẩ ER 70S-6 (308L) Đường kính que (mm): 1.0
Vật liệu bảo vệ: Khí Argon 100%
Gia nhiệt trước khi hàn: Xử lý nhiệt sau hàn:
Nhiệt độ.: Môi trường Khoảng nhiệt độ: N/A
Nhiệt độ trong khi hàn: 180 o C max Thời gian: N/A
Kiểm soát nhiệt độ: Nhiệt kế
Để đảm bảo thành công trong việc thực hiện mối ghép, cần tuân thủ nghiêm ngặt các cơ sở khoa học đã được phân tích trong chương 2, đặc biệt là các giải pháp kỹ thuật được tổng hợp trong mục 3 của chương này Dựa trên những cơ sở đó, tác giả đã đề xuất quy trình thí nghiệm tuần tự để thực hiện.
1 Chuẩn b thi t bị ế ị và đồ gá hàn nhƣ yêu cầu và mô t trong m c3 ả ụ 2
2 Chuẩn b m u thí nghiị ẫ ệm nhƣ yêu cầu và mô t trong m c 3.3 ả ụ
3 Gá kẹp m u thí nghiẫ ệm nhƣ mục 3.4 1
4 Điều ch nh thi t b ỉ ế ị hàn theo đúng các chế độ hàn b ng 3.2 và b ng 3.3 ở ả ả
5 Tiến hành thí nghi m v i các kệ ớ ỹ thuật đã nêu và các kết luậ ở chương2n
6 Kiểm tra ngo i dạ ạng và chất lƣợng liên k t hàn b ng các thiế ằ ết bị trong m c 3.5 ụ
AC DCEP DCEN Xung Điện cực Vonfram: N/A
Góc nghiêng mỏ hàn: Nghiêng 30 o , lệch về phía thép SUS304 Số điện cực: 1
Làm sạch mối hàn: Mài + Bàn chải sắt Lớp hàn: Nhiều lớp
L ớp hàn Phương pháp hàn Vật liệu hàn Nguồn điện hàn Điện áp Lưu lượng khí (lít/phút) Tốc độ hàn
Mác Đường kính Loại Dòng điện
Tất cả MIG ER70S-6 (308L) 1.0 AC 140 ~145 19 22 - 5 - 7 80 100 -
Các trang thiết bị kiểm tra chất lƣợng hàn 43 1 Các phương pháp và thiết bị kiểm tra NDT liên kết hàn thép cacbon – thép không 43gỉ
Để đánh giá chất lượng mối hàn, cần kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý và tính, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính liên kết hàn và quá trình tiết pha cacbit khi hàn thép cacbon với thép không gỉ Sau khi hoàn thành, mối hàn phải được kiểm tra bằng mắt thường để phát hiện khuyết tật ngoại quan, siêu âm để xác định khuyết tật bên trong, và kiểm tra các chỉ tiêu cơ tính như thử nghiệm kéo, uốn, độ cứng và độ dai va đập Cuối cùng, soi kim tương sẽ được sử dụng để kiểm tra tổ chức tế vi của mối hàn.
Quy trình và quy cách mẫu thử nghiệm đƣợc tiến hành theo AWS D1.1 [6]
3.5.1 Các phương pháp và thiết bị kiểm tra NDT liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Các phương ph p kiểm tra không phá hủy mối hàná (NDT)
Kiểm tra không phá hủy mối hàn là phương pháp quan trọng để đánh giá chất lượng của mối hàn mà không làm hỏng nó Phương pháp này giúp phát hiện các khuyết tật như rỗ khí, ngậm xỉ, không thấu và không ngấu Theo tài liệu [6], có nhiều phương pháp khác nhau có thể được áp dụng để thực hiện kiểm tra không phá hủy mối hàn.
- Phương pháp c ụ ảh p nh b ng tia X-ray (RT), ằ
- Phương pháp dùng sóng siêu âm (UT),
- Phương pháp thử ừ t tính (MT),
- Phương pháp dùng ch t l ng màu hi n th (PT), ấ ỏ ể ị
Phương pháp kiểm tra bề mặt mối hàn thường được thực hiện bằng cách sử dụng siêu âm (UT) và soi tổ chức tế vi Những phương pháp này giúp xác định khuyết tật bên trong mối hàn và tổ chức hạt của liên kết hàn một cách chính xác.
Phương pháp siêu âm kiểm tra không phá hủy mối hàn (UT)
Sau khi hoàn tất quá trình hàn, bề mặt hai bên mối hàn cần được làm sạch Để kiểm tra chất lượng mối hàn, thiết bị siêu âm USN 52R kết hợp với đầu dò gó
Quá trình kiểm tra siêu âm mối hàn sử dụng sóng siêu âm xung dội để phát hiện các khuyết tật bên trong, như rỗ khí, nứt và không ngấu Các bất liên tục sẽ được phản hồi về bộ xử lý thiết bị, cho phép xác định chính xác loại khuyết tật, vị trí và kích thước thông qua các thông số hiển thị và phân tích Sơ đồ và thiết bị kiểm tra mối hàn bằng sóng siêu âm được minh họa trong hình 3.9.
Hình3.9 Sơ đồ và thiết bị kiểm tra siêu âm mối hàn
3.5.2 Các phương pháp và thiết bị kiểm tra DT liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Các phương ph p kiểm tra phá hủy mối hàn á (DT)
Kiểm tra phá hủy mối hàn là phương pháp quan trọng để xác định các tính chất cơ lý của mối hàn khi bị phá hủy trong quá trình thử nghiệm hoặc gia công Phương pháp này giúp đạt được hình dạng phù hợp cho công tác kiểm tra Các chỉ tiêu cơ lý mối hàn được xác định trong luận văn này bao gồm nhiều phương pháp kiểm tra khác nhau.
- Phương pháp thử kéo, xác định b n kéo c a liên k t hàn độ ề ủ ế
- Phương pháp thử ốn, đánh giá tính dẻ u o, dai c a m i hàn ủ ố
- Phương pháp thử độ dai va đậ p
- Phương pháp th c ng kim lo i m i hàn và vùng ử độ ứ ạ ố ảnh hưởng nhi t ệ
- Phương pháp chụ ảp nh hay soi t ổchức tế vi c a mủ ối hàn
Thử kéo mối hàn là phương pháp xác định độ bền kéo tối đa của liên kết hàn khi chịu lực kéo, với yêu cầu độ bền kéo của mối hàn phải lớn hơn độ bền kéo tối thiểu của vật liệu cơ bản Đối với liên kết giữa thép CCT38 và SUS304T, độ bền kéo mối hàn cần vượt quá 380 MPa, trong khi đó, liên kết giữa thép C50 và SUS304 yêu cầu độ bền kéo mối hàn phải lớn hơn độ bền kéo tối thiểu của SUS304 Để xác định độ bền kéo sau khi hàn, các mẫu chuẩn sẽ được gia công theo tiêu chuẩn AWS D1.1 Thử kéo sẽ được thực hiện trên máy kéo, uốn vạn năng DLY-100, với quy cách mẫu và sơ đồ thử kéo được minh họa trong các hình ảnh tương ứng.
Hình 3.10 Ví trí cắt mẫu thử kéo và uốn mối hàn [6]
Hình 3.11 Kích thước mẫu thử kéo mối hàn [6]
Phương pháp thử uốn, xác định độ dẻo dai, khuyết tật mối hàn
Thử uốn được thực hiện trên máy kéo uốn vạn năng DLY 100, với quy cách mẫu và sơ đồ thử uốn được minh họa trong hình 3.12 và 3.14 Kết quả thử cho thấy mẫu hàn không bị gãy hoặc nứt, với chiều dài vết nứt đơn không vượt quá 3mm và tổng chiều dài các vết nứt không lớn hơn 10mm, phù hợp với tiêu chuẩn AWS D1.1 [6].
Hình 3.13- Mẫu và thiết bị kiểm tra kéo mối hàn
Hình 3.14- Mẫu và thiết bị kiểm tra uốn mối hàn
Phương pháp thử độ dai va đập mối hàn
Phương pháp thử độ dai va đập mối hàn được sử dụng để xác định khả năng chịu va đập của mối hàn trong các điều kiện khắc nghiệt như tải trọng đột ngột, sự tập trung ứng suất cao hoặc nhiệt độ thấp Mẫu thử được chuẩn bị theo tiêu chuẩn AWS D1.1 và được kiểm tra trên máy thử độ dai va đập Charpy MK-36 Năng lượng thu được được xác định dựa trên công sinh tiêu thụ khi mẫu có kích thước 10x10x55mm, được khía rãnh chữ V ở giữa, chịu tải trọng va đập từ quả tạ có khối lượng và độ cao xác định trước Sơ đồ thử nghiệm được minh họa trong hình 3.16.
Hình 3.15 - Mẫu kiểm tra độ bền va đập mối hàn
Hình 3.16- Thiết bị kiểm tra độ bền va đập mối hàn
Các thiết bị kiểm tra mối hàn đƣợc sử dụng trong luận văn này đƣợc tổng hợp trong bảng 3 dưới đây5 :
Bảng 3.5 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn
TT Loại thiết bị Mục đích sử dụng Địa chỉ của thiết bị
Thiết bị Siêu âm mối hàn
- Dùng để kiểm tra khuyết tật mối hàn
Viện Khoa học công nghệ Xây dựng
TT Loại thiết bị Mục đích sử dụng Địa chỉ của thiết bị
Máy kéo-uốn vạn năng
- Dùng để kéo, uốn mốihàn
Máy thử độ dai va đập charpy MK-36
-Dùng để thử độ dai va đập vật liệu
Viện Khoa học công nghệ Xây dựng
Thiết bị cắt dây CNC
- Dùng cắt mẫu thử nghiệm
Trung tâm Thực hành – Trường Cao Đẳng nghề công nghệ cao
Máy mài và đánh bóng mẫu
Dùng để chuẩn bịmẫu soi cấu trúc tế vi trên hiển vi quanghọc Đánh bóng mẫu để kiểm tra cấu trúc siêu tế vi
KH & KT Vật liệu- Đại học Bách khoa
Hệ thống hiển vi quang học
- Dùng để kiểm tra cấu trúc tế vi của liên kết hàn
Phòng Thí nghiệm Kim tương học Viện -
KH & KT Vật liệu- Đại học Bách khoa
Máy đo độ cứng Vicker
- Dùng để đo độ cứng tế vi trong liên kết hàn
Kết luận 3
Nghiên cứu thực nghiệm quá trình hàn MIG giữa thép cacbon và thép không gỉ nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính và quá trình tiết pha cacbit khi hàn Tác giả đã sử dụng nhiều trang thiết bị và phương pháp kiểm tra để phân tích Trong chương này, các yêu cầu cần thiết của thiết bị hàn đã được xác định, cùng với việc lựa chọn thiết bị hàn cụ thể và các phương pháp kiểm tra phù hợp với đề tài nghiên cứu.
Tác giả đã phân tích và lựa chọn các thiết bị phụ trợ cũng như thiết bị kiểm tra chất lượng liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ Bài viết đưa ra khuyến nghị về việc chọn vật liệu hàn và cách chuẩn bị phôi hàn Chương này cũng trình bày sơ đồ bố trí thí nghiệm, các chế độ và quy trình thí nghiệm cụ thể Ngoài ra, tác giả đề xuất phương pháp kiểm tra mối hàn bằng cách sử dụng kiểm tra phá hủy (DT) và không phá hủy (NDT) Kết quả thử nghiệm và phân tích các kết quả này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4 của luận văn.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính của liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ được thực hiện thông qua việc đánh giá kết quả thử nghiệm cơ tính theo tiêu chuẩn AWS D1.1 Các phép thử đã được tiến hành và kết quả được trình bày trong các bảng 4.1, 4.2 và 4.3.
Bảng 4.1 Kết quả thử kéo mối hàn
Diện tích Lực bền Ứng suất bền
Vị trí phá hủy mm 2 N N/mm 2
Bảng 4.2 Kết quả thử uốn mối hàn
Dày x Rộng Uốn mặt Uốn chân Uốn cạnh mm x mm
Rỗ khí 1÷2 mm; Nứt vùng AHN
Bảng 4.3 Kết quả thử độ dai của kim loại mối hàn
STT Ký hiệu mẫu thử
Thử độ dai va đập tại nhiệt độ phòng (27±2) o C
Kích thước mẫu (mm)x(mm)
Bảng 4.4 Thành phần hóa của kim loại mối hàn
Liên kết hàn % C % Si % Mn % P % S % Cr % Ni
Từ kết quả thử nghiệm cơ tính trong các bảng 4.1; 4.2 và 4.3 ta có một số nhận xét nhƣ sau:
Khi hàn cặp vật liệu CCT38 và SUS304 bằng dây hàn inox 308L, độ bền kéo của mối hàn gần tương đương với độ bền kéo của thép CCT38 Vị trí phá hủy chủ yếu xảy ra ở vùng ảnh hưởng nhiệt của thép CCT38, như thể hiện trong Hình 4.1.
Mẫu thử kéo mối hàn giữa thép CCT38 và SUS304 cho thấy cơ tính mối hàn của cặp vật liệu C50 và SUS304 gần đạt độ bền kéo của thép không gỉ SUS304 Vị trí phá hủy xảy ra trong vùng ảnh hưởng nhiệt phía thép không gỉ, như minh họa trong Hình 4.2.
Hình 4.2 Mẫu sau khi thử kéo mối hàn thép C50 và SUS304
Khi hàn các vật liệu khác loại, độ bền kéo của mối hàn phụ thuộc vào độ bền kéo của vật liệu cơ bản và vật liệu hàn, với khả năng liên kết bị phá hủy tại phía vật liệu có độ bền kéo yếu hơn Đặc biệt, thép có hàm lượng cacbon cao sẽ tạo ra mối hàn có độ bền kéo và độ dai va đập lớn hơn.
Ta sẽ xét thêm một chỉ tiêu nữa khi thử cơ tính mối hàn, đó là khả năng chịu uốn:
Kết quả thử nghiệm giữa vật liệu CCT38 và SUS304 cho thấy rằng mối hàn đầu tiên xuất hiện các rỗ khí nhỏ, nhưng vẫn đảm bảo chiều sâu ngấu tốt Liên kết giữa kim loại cơ bản và kim loại mạ cho thấy tính bền vững cao, cho thấy khả năng hàn giữa hai loại vật liệu này là khả thi và hiệu quả.
Hình 4.3 Mẫu sau khi thử uốn mối hàn thép CCT38 và SUS304
- Đố ớ ặi v i c p v t li u C50 và SUS304 k t qu th u n th hi n trên Hình 4.4 ậ ệ ế ả ử ố ể ệ
Kết quả thử uốn cho thấy xuất hiện vết nứt dọc theo biên giới giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn, với sự phát triển mạnh hơn về phía vật liệu thép C50 Các vết nứt này hình thành khi chịu tải trọng, một phần do sự xuất hiện của các tổ chức chứa cacbit, phụ thuộc vào hàm lượng cacbon của kim loại cơ bản và các nguyên tố hợp kim trong kim loại đắp Tính hàn kém của vật liệu có hàm lượng cacbon cao (>0.5%) là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này Do đó, khi hàn các vật liệu có hàm lượng cacbon cao, cần phải áp dụng chế độ xử lý nhiệt sau hàn để đạt được các chỉ tiêu cơ tính mong muốn.
Hình 4.4 Mẫu sau khi thử uốn mối hàn thép C50 và SUS304
Cấu trúc thô đại của liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Cấu trúc thô đại của mối hàn cung cấp cái nhìn tổng quan về hình dạng mặt cắt, cho phép nhận diện các khuyết tật lớn như rỗ khí và sự không ngấu giữa kim loại cơ bản và kim loại mối hàn Hình ảnh mặt cắt mối hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ cho thấy sự phân chia rõ ràng giữa hai loại kim loại, với chiều sâu ngấu tốt và không có hiện tượng tách lớp hay khuyết tật nứt, rỗ tại vùng ảnh hưởng nhiệt cũng như tại vùng kim loại mối hàn.
Hình 4.5 Cấu trúc thô đại mối hàn
Cấu trúc tế vi của liên kết hàn thép cacbon – thép khôn g gỉ
4.3.1 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon Để xem xét và nghiên cứu sâu về cấu trúc và quá trình hình thành các pha mới trong vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, tác giả đã sử dụng các thiết bị quang học có độ phóng đại lên đến hàng nghìn lần đễ soi rõ các tổ chức sâu bên trong mối hàn a Thép SUS304-C50 b Thép SUS304-CCT38
Hình 4.6Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon(x200) a Thép SUS304-C50 b Thép SUS304-CCT38
Hình 4.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon (x500)
Hình 4.6 và 4.7 minh họa cấu trúc vi mô tại vùng liên kết hàn giữa thép cacbon và kim loại mối hàn Hình 4.6 với độ phóng đại 200 lần cho thấy kim loại mối hàn sáng hơn nằm bên trái, vùng ảnh hưởng nhiệt ở giữa và kim loại cơ bản nằm bên phải So với thép cacbon khi hàn thép CCT38 (hình 4.6b), hàn thép C50 với thép SUS304 cho thấy vùng ảnh hưởng nhiệt rộng hơn (hình 4.6a), có thể mở rộng đáng kể theo tỷ lệ hình ảnh.
Vùng 600 m chủ yếu là mactenxit, có tính chất giòn và dễ gây nứt, ảnh hưởng không tốt đến cơ tính mối hàn Để đánh giá tổ chức tại vùng liên kết, tác giả và nhóm thử nghiệm đã phóng đại ảnh chụp lên 500 lần, cho thấy rõ sự khuếch tán giữa kim loại mối hàn và kim loại cơ bản Ở mức phóng đại này, hình ảnh cho thấy sự chuyển tiếp đồng nhất giữa hai loại vật liệu, với độ ngấu tốt và không có tách lớp tại biên giới giữa kim loại mối hàn và kim loại cơ bản.
4.3.2 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép không gỉ
Trên Hình 4.8 là cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép không gỉ Hình ảnh cho ta thấy:
Tổ chức tế vi của kim loại mối hàn và kim loại cơ bản có sự tương đồng, nhưng khác biệt chủ yếu nằm ở kích thước hạt Kim loại mối hàn được nung nóng đến trạng thái nóng chảy hoàn toàn và sau đó kết tinh lại, dẫn đến cấu trúc hạt mịn hơn so với kim loại cơ bản.
Trong cả hai loại thép SUS304-C50 và SUS304-CCT38, pha delta ferit xuất hiện dưới dạng sợi mảnh dài màu tối bên cạnh kim loại cơ bản Đặc điểm và quá trình hình thành của pha delta ferit này sẽ được nghiên cứu chi tiết trong mục 4.5.
Hình 4.8- Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMHvà thép không gỉ
Sự tiết pha cacbit và độ cứng tế vi trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Sự hình thành pha cacbit xảy ra khi các nguyên tố hợp kim như Cr, Fe, Si có ái lực mạnh với carbon khuếch tán vào nhau Khi kim loại được nung nóng, chúng di chuyển từ vùng nóng chảy không hoàn toàn sang vùng nóng chảy hoàn toàn Tỷ lệ cacbit được tạo ra phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim, thời gian kim loại ở trạng thái nóng chảy và tốc độ nguội của vùng kim loại mối hàn.
Hình 4.9a hiển thị tổ chức cacbit (cacbit Cr-C, mũi tên đen) và delta ferit (mũi tên đỏ) gần biên giới của đường chảy lệch về phía kim loại mối hàn Sự phân bố này phù hợp với lý thuyết khuếch tán kim loại dưới tác động của nhiệt độ cao, nơi kim loại ở biên giới giữa pha lỏng và rắn có xu hướng khuếch tán vào nhau Tuy nhiên, kim loại ở pha rắn chuyển tiếp sang pha lỏng mạnh mẽ hơn, dẫn đến cacbit thường được hình thành gần kim loại mối hàn (vùng nóng chảy hoàn toàn) a Thép SUS304-C50 b Thép SUS304-CCT38
Hình 4.9- Pha cacbit trong liên kết hàn thép cacbon thép không gỉ-
Thép có hàm lượng cacbon thấp (%C0.5%) khi hàn với vật liệu có hàm lượng và số lượng hợp kim cao dễ hình thành các tổ chức cacbit Nếu không được xử lý, các tổ chức cacbit này sẽ ảnh hưởng xấu đến đặc tính của mối hàn Để đo độ cứng tế vi trong liên kết hàn, tác giả đã sử dụng thiết bị đo độ cứng tế vi với thang đo HV0.1.
Vị trí đo độ cứng được xác định theo tiêu chuẩn AWS D1.1 Hình 4.10 và 4.11 minh họa hình ảnh cùng trị số đo độ cứng HV0.1 của các vùng mối hàn khi hàn thép cacbon và thép không gỉ Cụ thể, vị trí đo độ cứng tế vi được thể hiện ở phần a, liên kết hàn thép SUS304-C50 ở phần b, và liên kết hàn thép SUS304-CCT38 ở phần c.
Hình 4.10 Độ cứng tế vi vùng danh giới giữa KLMH và thép không gỉ a Liên kết hàn thép SUS304-C50 b Liên kết hàn thép SUS304-CCT38
Hình 4.11 Độ cứng tế vi vùng danh giới giữa KLMH và thép cacbon Độ cứng tế vi trong liên kết hàn giữa KLMH và thép không gỉ SUS304
Khi hàn thép CCT38 và C50 với thép không gỉ SUS304 bằng vật liệu hàn 308L, độ cứng tế vi ở các vùng khác nhau trong liên kết hàn cho thấy giá trị chênh lệch không đáng kể, gần giống với độ cứng của thép không gỉ SUS304 Điều này cho thấy tính ổn định của độ cứng trong quá trình hàn giữa kim loại mối hàn và thép cacbon.
Hình 4.11b cho thấy vị trí và giá trị độ cứng tại vùng liên kết hàn giữa thép cacbon thấp CCT38 và kim loại mối hàn Tại vùng ảnh hưởng nhiệt, giá trị độ cứng cao hơn so với các vùng khác do sự thay đổi tổ chức kim loại, với sự xuất hiện của các cấu trúc mới cứng và giòn hơn KLCB Ở vùng biên giới đường chảy, độ cứng tương đương với kim loại cơ bản SUS304, với các giá trị lần lượt là 189 và 192, 193 HV0.1 Điều này hợp lý khi hàn thép cacbon thấp với thép không gỉ, vì không có xu hướng hình thành cacbit do hàm lượng cacbon thấp không đủ để hòa tan trong các pha tạo cacbit.
Vị trí và giá trị độ cứng tại vùng liên kết hàn giữa thép cacbon cao C50 và kim loại mối hàn được thể hiện trong hình 4.11a Tại điểm gần biên giới giữa KLCB và kim loại mối hàn, giá trị độ cứng cao hơn rõ rệt, với vết lõm do mũi đâm gây ra nhỏ và nông hơn so với các điểm khác Điều này cho thấy sự hình thành pha cacbit do sự khuếch tán cacbon từ pha rắn kết hợp với nguyên tố hợp kim Cr trong pha lỏng của vũng hàn, với đặc tính cứng và giòn hơn các pha khác.
Pha delta ferr ite trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Trong quá trình hàn kim loại, cơ tính và tính chất của liên kết hàn được xác định bởi tổ chức tế vi hình thành trong suốt quá trình hàn Tại vùng kim loại nóng chảy của mối hàn thép không gỉ, tính chất của mối hàn phụ thuộc vào hàm lượng, sự phân bố và hình thái của δ-ferit hình thành trong quá trình kết tinh Nhiều nghiên cứu cho thấy hàm lượng của δ-ferit phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu và chế độ công nghệ hàn, được đánh giá thông qua hàm lượng Crtđ và Nitđ Bên cạnh đó, hàm lượng δ-ferit cũng phụ thuộc vào tốc độ nguội; khi tốc độ nguội tăng, hàm lượng pha δ-ferit giảm Việc tăng hàm lượng δ-ferit trong mối hàn có thể dẫn đến hiện tượng nứt nóng, giảm độ dai va đập và giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu.
Trong quá trình đúc, hình thái của ferit và δ phụ thuộc vào mô hình kết tinh Đối với mối hàn thép không austenit, có bốn mô hình kết tinh chính: austenit (A), austenit ferit (AF), ferit – austenit (FA) và ferit (F).
Pha austenit A và AF là giai đoạn đầu tiên hình thành trong kim loại lỏng, trong khi pha δ-ferit F và FA là giai đoạn đầu tiên được hình thành Pha δ-ferit có nhiều hình thái khác nhau như dạng sợi mảnh, dạng xương cá, hình kim hoặc đều trục, tùy thuộc vào градиен nhiệt độ và tốc độ phát triển độ mầm Đối với mối hàn nóng chảy, việc xác định mô hình kết tinh và hàm lượng δ-ferit trong kim loại mối hàn rất quan trọng để đánh giá cơ tính của kim loại này Các giá trị này được dự đoán dựa trên giản đồ Schaeffler và Delong Thực tế, hàm lượng pha δ-ferit trong mối hàn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ bền kéo, tốc độ hàn, độ hiệu điện thế và tốc độ nguội, dẫn đến sự sai lệch so với tính toán.
Hình 4.12 Giản đồ pha thép không gỉ austenit và mô hình kết tinh [20]
Hình 4.13 Giản đồ dự đoán mô hình kết tinh và hàm lượng δ ferit trong mối - hàn bằng giản đồ Schaeffler [20]
Khi hàn hai vật liệu khác loại, sự khác biệt về thành phần hóa học giữa kim loại cơ bản và kim loại điện cực sẽ tạo ra pha -ferit khác δ Điều này làm cho việc xác định tính chất hàn trở nên khó khăn hơn so với việc hàn hai vật liệu cùng loại, và việc dự đoán dựa vào tính toán lý thuyết cũng gặp nhiều thách thức.
Sự thay đổi hình thái của δ ferit trong kim loại mối hàn -
Tổ chức trong kim loại mối hàn của thép không gỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học của kim loại cơ bản và điện cực hàn, cũng như tốc độ nguội Trong quá trình hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon, thành phần hóa học tại các vùng trong kim loại mối hàn có sự khác biệt Sự thay đổi hình thái của -ferit δ trong kim loại mối hàn được phân chia thành ba vùng: vùng biên giới nóng chảy phía thép không gỉ, vùng biên nóng chảy phía thép cacbon và vùng tâm mối hàn.
Tại biên giới nóng chảy của thép không gỉ, loại lỏng bắt đầu kết tinh từ kim loại cơ bản, tạo ra các pha rắn như mầm kí sinh thuận lợi cho quá trình kết tinh Với hàm lượng Cr và Ni lần lượt là 20% và 8-10%, kim loại này hình thành 18 loại lỏng kết tinh theo mô hình FA, trong đó ferit được tiết ra từ lỏng trước Hình thái của δ-ferit phát triển theo dạng sợi mảnh, vuông góc với biên giới nóng chảy Tuy nhiên, do tốc độ nguội lớn, các pha austenit Widmanstatten xuất hiện dọc biên giới nóng chảy phía thép không gỉ.
Hình dạng của ferit có dạng xương và phát triển theo hướng gradient nhiệt độ, vuông góc với biên giới nóng chảy của thép không gỉ và thép cacbon.
Hình thái của δ -ferit tại biên giới nóng chảy của thép cacbon có sự khác biệt đáng chú ý, do thành phần kim loại nóng chảy tại đây có hàm lượng cacbon thấp Mô hình kết tinh ban đầu là austenit, với pha trắng dài chạy dọc biên giới nóng chảy Sau đó, các pha δ -ferit hình thành dưới dạng tế bào trên nền austenit Sự phát triển cạnh tranh giữa δ -ferit và austenit dẫn đến việc δ -ferit có hình dạng giống như nhánh cây, phát triển theo hướng vuông góc với phương truyền nhiệt.
Hình thái của δ-ferit trên nền austenit trong loại mối hàn thay đổi theo hướng của градиент nhiệt độ Gần biên giới nóng chảy, với tốc độ nguội lớn, δ-ferit dài dạng xương cá hình thành, hướng vào tâm mối hàn và vuông góc với biên giới nóng chảy Tại tâm mối hàn, quá trình nguội giảm và nhiệt độ trở nên đồng đều theo mọi phương, dẫn đến việc δ-ferit có dạng đều trục.
Hình 4.15 Sự thay đổi hình thái pha ferit tại vùng tâm kim loại mối hàn
Hình 4.16 Hình thái của δ ferit dạng xương cá và sợi mảnh trong kim loại - mối hàn(x1000)
Từ cáckết quả thí nghiệm rút ramột số kết luận sau:
Hình thái của α-ferit trong kim loại mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon thay đổi biên giới nóng chảy vào sâu bên trong mối hàn Tại các biên giới, α-ferit xuất hiện với cấu trúc xương kéo dài phát triển theo hướng vuông góc với biên giới nóng chảy, tạo nên hình thái α-ferit đặc trưng trong quá trình ủ.
Hình dáng mô và cấu trúc vi thái của ferit tại biên giới nóng chảy giữa thép không gỉ và thép cacbon có sự khác biệt rõ rệt Ở phía thép không gỉ, ferit phát triển với các pha austenit Widmanstätten, tạo thành cấu trúc hình xương cá Trong khi đó, ở phía thép cacbon, ferit phát triển từ austenit với dạng tấm song song, sau đó hình thành nhánh cây hướng vào tâm mối hàn.
Hàm lượng ferit thay đổi tùy vào tần số và vị trí trên kim loại mối hàn Vùng biên giới của thép không gỉ có hàm lượng ferit lẫn nhờ vào tỉ lệ ủ Khi hàm ủ tăng, hàm lượng ferit cũng tăng, ảnh hưởng đến độ cứng và tính chất của vật liệu.
Các dạng khuyết tật có thể xuất hiện trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ
Các thử nghiệm cho thấy khi liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ, thường xuất hiện một số khuyết tật phổ biến.
Rỗ khí xuất hiện trong quá trình hàn MIủ G do đặc tính của khí bảo vệ được đưa vào Lượng khí này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn, gây ra hiện tượng rỗ khí ở các vùng tiếp giáp giữa KLCB và kim loại mạ Việc kiểm soát khí bảo vệ trong quá trình hàn là rất quan trọng để giảm thiểu tình trạng này và đảm bảo độ bền của mối hàn.
Khuyết tật không ngấu là loại khuyết tật thường xuất hiện tại vùng tiếp giáp giữa KLCB và kim loại mối hàn, có thể gây ra biên giới giữa các lớp hàn Nguyên nhân của khuyết tật này có thể do bề mặt vật hàn và vùng tiếp giáp chưa được vệ sinh sạch sẽ, chưa loại bỏ các chất bẩn, dầu mỡ, lớp oxit, hoặc do giữa các lớp hàn không được vệ sinh cẩn thận trước khi hàn lớp tiếp theo.
Khi hàn các loại kim loại cơ bản có hàm lượng cacbon cao, hiện tượng nứt ở vùng ứ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng mối hàn Các cacbit hình thành từ cacbon và nguyên tố kim loại trong mối hàn có thể làm cho cơ tính trở nên giòn và dễ nứt Để giảm thiểu sự hình thành cacbit, cần sử dụng các quy trình hàn có năng lượng thấp, hàn nhiều lớp và tăng tốc độ nguội của mối hàn Những biện pháp này nhằm mục đích giảm tối đa thời gian kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng, từ đó hạn chế sự khuếch tán cacbon từ kim loại cơ bản sang kim loại mối hàn, giúp cải thiện độ bền và tính liên kết của mối hàn.
Kết luận 4
Qua phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm, chúng ta nhận thấy rằng việc hàn liên kết giữa thép cacbon và thép không gỉ bằng phương pháp hàn MIG gặp phải một số khó khăn nhất định.
Tác giả đã thực hiện nhiều phép thử phá hủy và không phá hủy mối hàn nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến tính chất của mối hàn.
Sử dụng thiết bị chụp ảnh tế vi hiện đại, tác giả đã minh họa rõ ràng quá trình hình thành và tiết pha cacbit, pha delta ferit trong hàn thép cacbon và thép không gỉ Nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng cacbon cao trong thép dẫn đến sự xuất hiện của các tổ chức mới như cacbit và delta ferit, ảnh hưởng tiêu cực đến cơ tính mối hàn, đặc biệt khi hàm lượng cacbon vượt quá 0.45% Bài viết cũng đánh giá các khuyết tật cơ bản khi hàn thép cacbon và thép không gỉ, từ đó đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự hình thành các khuyết tật này.
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
Hàn các vật liệu khác nhau, đặc biệt là hàn thép cacbon với thép không gỉ, đã trở thành một chủ đề quen thuộc trên toàn cầu Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu lý thuyết và đánh giá thực tiễn trong lĩnh vực này vẫn còn hạn chế Bài luận văn này nhằm mục đích trình bày và phân tích một số cơ sở lý thuyết cùng với các kết quả thực nghiệm liên quan.
1 Nêu ra đƣợc cơ sở khoa h c khi hàn các v t li u thép khác ch ng loọ ậ ệ ủ ại, trên cơ sở phân tích các ng x khác nhau c a các lo i v t li u là thép cacbon và thép ứ ử ủ ạ ậ ệ không g khi hàn nóng ch y, phân tích các ỉ ả ảnh hưởng c a y u t công ngh ủ ế ố ệ đến quá trình hình thành liên k t hàn Qế ua đó đã làm rõ đƣợc b n chả ất và cơ chế hình thành liên k t hàn ế thép cacbon thép không g – ỉ
2 Xây dựng đƣợc m quy trình hàn h p lý cho hàn thép cacbon và thép không g ột ợ ỉ ở các mức độ thành ph n cacbon khác nhau ầ
3 Lập được quy trình kiểm tra đầy đủ để đánh giá đượ c s ự ảnh hưởng c a hàm ủ lƣợng cacbon đến cơ tính, tổ ch c t vi c a m i hàn khi hàn thép cacbon và thép ứ ế ủ ố không g ỉ
4 Qua vi c phân tích c u trúc t vi m i hàn b ng các thi t b ệ ấ ế ố ằ ế ị chụ ảp nh t vi hi n ế ệ đại, tác gi ả đã đƣa ra đƣợc hình nh c th và gi i thích rõ ràng v quá trình hình ả ụ ể ả ề thành và ti t pha cacbit, pha delta ferit trong quá trình hàn thép cacbon-thép ế không g T ỉ ừ đó thấy được ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến quá trình hình thành các pha trên và ảnh hưởng của chúng đế cơ tính mốn i hàn - Khi hàm thép có hàm lƣợng cacbon càng cao thì c u trúc liên k t hàn xu t hi n các t ch c ấ ế ấ ệ ổ ứ mới như cacbit, delta ferit làm ảnh hưởng xấu đến cơ tính mối hàn (pha cacbit bắt đầu xu t hiấ ện khi hàm lƣợng cacbon trong thép cacbon >0.45%) Pha delta ferit đƣợc hình thành d c theo biên gi i c a kim lo i m i hàn và thép không g , ọ ớ ủ ạ ố ỉ chúng có dạng s i mợ ảnh kéo dài theo hướng ngu i cộ ủa kim lo i m i hàn ạ ố
5 K t qu ế ả thử nhi m cho th y r ng s xu t hi n c a các t ệ ấ ằ ự ấ ệ ủ ổ chức ch a cacbit dứ ọc theo vùng đường ch y làm cho vùng này có tính ch t c ng, giòn, d n t, còn s ả ấ ứ ễ ứ ự xu t hi n cấ ệ ủa các pha delta ferit làm cho cơ tính mối hàn gi m xu ng, pha này ả ố càng lớn thì cđộ ứng và độ dai va đập c a m i hàn càng gi m ủ ố ả
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Bài luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính và tổ chức tế vi của mối hàn, tập trung vào hai mức cacbon thấp và trung bình Các thiết bị trong ngành công nghiệp và y tế sử dụng công nghệ hàn thép cacbon và thép không gỉ thường phải chịu tải trọng lớn và hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, như nhiệt độ rất thấp Do đó, tác giả đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của hàm lượng cacbon trong các điều kiện này.
Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của thép có hàm lượng cacbon cao đến tính chất cơ học của mối hàn khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp Cụ thể, nghiên cứu xem xét sự tương tác giữa thép cacbon và thép không gỉ trong quá trình hàn, nhằm đánh giá độ bền và khả năng chịu lực của mối hàn dưới các điều kiện khắc nghiệt Kết quả của nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc cải thiện quy trình hàn và nâng cao hiệu suất làm việc của các sản phẩm hàn trong môi trường lạnh.
Tài liệu tham khảo tiếng Việt:
[1] Ngô Lê Thông (2007) Công nghệ hàn điện nóng chảy – tập 2 NXB KHKT, Hà Nội 2007
[2]TCVN 1765-1975: Thép cacbon kết cấu thông thường, mác thép và yêu cầu kỹ thuật
[3] TCVN 1766-1975: Thép cacbon kết cấu chất lƣợng tốt, mác thép và yêu cầu kỹ thuật
[4] AS™ A240/ A240M Standard Specification for Chromium and Chromium-: Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications
[5] AS™ A5.9/A5.9M: Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods
[6] AWS D1.1/ D1.1M: Structural Welding Code Steel
[7] Lê Công Dƣỡng (1996) Vật liệu học NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội1996.
[8] B N Arzamaxov (Người dịch: Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh Nghiệp, Chu Thiên Trường, Nguyễn Khắc Xương) (2000) Vật liệu học NXB Giáo dục, Hà Nội2000
[9] Vũ Đình Toại (2011) Bài giảng Xử lý nhiệt khi hàn Đại học Bách khoa Hà Nội,
[10] Vũ Đình Toại (2009) Bài giảng Các quá trình hàn đặc biệt Đại học Bách khoa
Tài liệu tham khảo tiếng Anh:
[11] McKenney,C.R.,Banker,J.G (1971) Explosion-Bonded Metals for Marine Structural Applications Marine Technology, July 1971, p.285-292
[12] Keith, Donald, J and Amy Blair (2007) Fracture Mechanics Characterization of Aluminum Alloys for Marine Structural Applications Ship Structure Committee report SSC-448, 2007
[13] J W Elmer, S M Allen, T W Eagar; MIGrostructural development during solidification of stainless steel alloys, Metallurgical transactions A, 20A, 10/1989, pp.1989-2117
[14] S A David, J M Vitek, T L Hebble; Effect of rapid solidification on stainless steel weld metal MIGrostructures and its implications on the schaeffler diagram, Supplement to the welding journal, 10/1987, 289-299
[15] Angelo Fernando Padilha, Caio Fazzioli Tavares, Marcelo Aquino Martorano; Delta ferrite formation in Austenitic stainless steel castings, Materials science forum, 730 732 2013, pp.733-738 –
The study by Rati Saluja highlights the significant impact of phase transformations and alloying elements on the hot cracking susceptibility of 304L and 316L stainless steel welds Published in the International Journal of Engineering Science and Technology, this research provides valuable insights into the factors influencing weld integrity in these stainless steel grades The findings emphasize the need for careful consideration of alloying constituents to mitigate hot cracking risks during welding processes.
[17] J C Lippold, W F Savage; Solidification of Austenitic stainlesssteel weldments: Part III the effect of solidifica- tion behavior on hot cracking – susceptibility, Welding research supplement, 12/1982, pp 362-374
[18] D Hauser, J A Vanecho; Effects of ferrite content in Austenitic stainless steel welds, Supplement to the welding journal, 02/1982, pp 37-44
[19] Almaida Gigovic Gekic, Mirsada Oruc, Sulejman Muhamedagic; Effect of – the delta ferrite content on the tensile properties in mitronic 60 steel at room temperature and 7500C, Materials and technology, 2012, pp 519-523
[20] John C Lippold, Damian J Kotecki; Welding metallyrgy and weldability of stainless steels
[21] Rati Saluja, K M Moeed; Formation, quantification and significance of delta ferrite for 300 series stainless steel weld- ments, International journal of engineering technology, management and applied science,3, 12/2015, pp 23-36
[22] D L Olson; Prediction of Austenitic weld metal MIGrostructure and properties, Welding research supplement, 10/1985, pp 281-295
[23] C J Long, W T Delong; The ferrite content of Austenitic stainless steel weld metal, Welding research supple- ment, 07/1973, pp 281-297
The study by Chih Chun Hsieh et al (2007) investigates the microstructure, recrystallization, and mechanical properties of dissimilar stainless steels in both the heat-affected and fusion zones Published in Materials Transactions, the research highlights the significant changes that occur during welding processes, emphasizing the impact on material performance and integrity The findings provide valuable insights for optimizing welding techniques and enhancing the durability of stainless steel applications.
[25] J C Lippold, W F Savage; Solidification of Austenitic stainless steel weldments: Part I A proposed mecha- nism, Welding research supplement, – 12/1979, pp 388-396
[26]Jurgen Vrenken, Cierick Goos, Tony van der Veldt, Wolfgang Braunschweig
(2009) Fluxless Laser Brazing of Aluminium to Steel Joining in Automotive Engineering 2009
[27 Weihua Zhang,Daqian Sun, Lijun Han,Wenqiang Gao and Xiaoming Qiu ]
(2011) Characterization of Intermetallic Compounds in Dissimilar Material Resistance Spot Welded Joint of High Strength Steel and Aluminum Alloy ISIJ International, Vol 51 (2011), No 11, pp.1870–1877
[28 F Wagner, I Zerner, M Kreimeyer, T.Seefeld, G Sepold (2007) ] Characterization and Properties of Dissimilar Metal Combinations of Fe/Al and Ti/Al-Sheet Materials BIAS, Bremen Institute of Applied Beam Technology Bremen, Germany2009
[29]P Peyre, G Sierra, F Deschaux-Beaume, D Stuart, G Fras (2007) Generation of aluminium steel joints with laser-induced reactive wetting Materials Science – and Engineering: A, Volume 444, Issues 1–2, 25 January 2007, Pages327-338
[30]Alexandre Mathieu,Sébastien Pontevicci, Jean-claude Viala, Eugen Cicala, Simone Matteù, Dominique Grevey (2006) Laser brazing of a steel/aluminium assembly with hot filler wire (88% Al, 12% Si) Materials Science and Engineering:
In their 2007 study published in Optics & Laser Technology, Alexandre Mathieu and colleagues explored the joining of dissimilar materials, specifically aluminum to steel, using a zinc-based filler wire This research, found in Volume 39, Issue 3, pages 652-661, highlights the innovative application of laser technology in enhancing the bonding process between different metals, offering insights into improved manufacturing techniques.
[32 Bergmann, H.W.; Waldmann, H.; Guyenot, M.; Haldenwanger, H.G.; Korte, ]
M (2000) Untersuchungsergebnisse zum Laserschweiòen von Al auf Stahl fỹr Auòenhautanwendungen European Automotive Laser Application, Bad Nauheim, Automotive Circle International, Berlin2000.