Bài giảng công nghệ hàn điện nóng chảy

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL, ĐHBK Hanoi 1 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM THẤP 3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp 3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram 3.3 Công

• Thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp:

• Thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung bình:

• Thép chịu nhiệt Cr – Mo/ Cr – Mo – V:

•

1 … … … (liên quan đến chế độ nhiệt)

2 … … … (liên quan đến khả năng nứt)

1 T h é p (lo ại nà o):

T h ô n g số th ời gia n n g u ội 8 0 0 – 5 0 0 oC là gì:

G i á trị tiê u biể u c h o từ n g lo ại qu á trìn h hà n:

2 H ợ p kim tita n

• C á c l o ại t h é p c ó c h u y ể n b iế n p h a ở trạn g t h ái rắ n

• G i ả n đ ồ p h â n h ủ y c ủ a a u ste nit (tại k h u v ự c n à o c ủ a liê n

k ết h à n ) k hi h à n c ó ý n g hĩa gì ?

• G i ả n đ ồ p h â n h ủ y k h ô n g đ ẳ n g n h iệt c h o h à n (C C T

di a g r a m s ) Ý n g hĩ a.

N g ô Lê Thông, B/ m H àn C N K L,

Đ H B K H anoi

12

1.3.1 Khái niệm, phân loại nứt

• Tính hàn đòi hỏi: liên kết hàn lành lặn, có tính chất đáp ứng yêu cầu

– C h ế độ h à n: c h ố n g n ứt n g u ội k hi k h ô n g r a m v à trá n h tă n g

kí c h t h ư ớ c h ạt T ố c đ ộ n g u ộ i tro n g k h o ả n g t ối ư u.

1 4 C H Ỉ TI Ê U L Ự A C H Ọ N C Ô N G N G H Ệ V À C H Ế Đ Ộ N H IỆ T C H O

H À N T H É P

• N ồ n g độ cacbon trong thép cacb o n: 0,06 ÷ 0,9 % (chế tạo m áy);

• T h é p cacbo n kết cấu thôn g thư ờ n g: <0,25 %

• T h é p sôi: m ax 0,07 % S i Thép lặng min 0,12 % Si

1 T h é p cacb o n kết cấu thôn g thư ờ n g (thép thông dụ n g):

2 T h é p cacb o n kết cấu chất lượ n g tốt (thép chất lượ n g cao):

3 T h é p kết cấu hợ p ki m thấp (thép hợ p ki m thấp ít cacbo n, thép

h ợ p ki m thấp độ bền cao):

1 – V ù n g hạt mịn phát triển theo lớ p (bề mặt kết tinh phẳng);

2 – K ết tinh dạng hình ki m; 3 – K ết tinh dạn g hìn h kim – nhán h cây; 4 – Cá c hạt

ki m loại nóng chảy bị quá nhiệt

C ấ u trúc ki m loại m ối hàn khi kết tinh

• C ơ tính liên kết hàn phụ thu ộ c vào:

– T ổ ch ứ c ki m loại m ối hàn và vùn g ản h hư ở n g nhiệt – C h ế độ n hiệt khi hàn:

• Đ ặ c điể m công nghệ và kỹ thuật hàn

– S ử dụng đồ gá hàn hoặc hàn đính để gá lắp hàn X e m lại phầ n hàn đính (học kỳ trước).

– L à m sạch trước khi hàn.

– S ử dụng các loại quá trình hàn nóng chảy: chú ý tỷ lệ tham gia của ki m loại cơ bản vào m ối hàn khi hàn thép kết cấu h ợ p ki m thấp.

hợp kim thấp:

• Công nghệ hàn hồ quang tay:

U O NI-13/55K GOST E46A (ISO E433B20H, DIN E4330B10H, EN E38AB22H10)

U O NI-13/55 G OST E50A (A W S E7015, ISO E514B20, DIN E5140B10, EN E380B22H10)

U O NI-13/55K GOST E46A (ISO E433B20H, DIN E4330B10H, EN E38AB22H10)

U O NI-13/55 G OST E50A (A W S E7015, ISO E514B20, DIN E5140B10, EN E380B22H10)

M R-3 M G OST E46 (A WS E6012, ISO E433AR24, DIN E4330AR7, EN E38AR12) OZS-12I GOST E46 (A WS E6012, ISO E433AR24, DIN E4330AR7)

OZS-6 GOST E46 (A WS E6020, ISO E430RR12023, DIN E4300RR11120, EN E38A R R32)

Thép cacbon thấp

Mác que hàn - Loại que hàn

Ki m loại cơ bản

1, 6 m m ) D â y h à n t h ư ờ n g là d â y thé p h ợ p ki m C 0 8 Г C , C

в-0 8 Г 2 C – K h i h à n thé p h ợ p ki m t h ấ p l oại 1 4 X Г C , 1 0 X C H Д , 1 5 X C H Д ,

c ũ n g n h ư t h é p c a c b o n t hấ p C т 1 v à C т 2 (thé p lặ n g), c ó t hể

d ù n g d â y h à n C в- 1 2 Г C – K h i điệ n á p h ồ q u a n g tăn g , cá c n g u y ê n tố h ợ p k i m s ẽ bị o x y

h ó a n hiề u h ơ n, là m giả m c ơ tính m ối h à n.

– Đ ộ bền m ối hàn: thôn g qua h ợ p kim h óa từ dây hà n

– Đ ộ b ề n tố i thiể u 4 8 0 M P a, Cr và C u ( N i): c h ố n g ă n m ò n c a o tro n g k h í

Đ ộ b ề n [ M P a ]

L o ạ i t h é p

– F erit đ ư ợ c bề n h ó a bằ n g d u n g dịc h rắ n :

– F erit đ ư ợ c bê n h ó a bằ n g p h a ph â n tán:

– B ề n h ó a thé p thô n g q u a là m mị n hạt (cá n c ó kiể m s o át h o ặ c thư ờ n g

h ó a):

10 + +

=

N V

Mn C

• V ai trò của cac b o n đối với n ứt khi hàn:

• C á c biện p háp vật liệu, cô n g n g hệ, kết cấu:

4 Thép cacb o n cao cần đ ư ợ c hàn ở trạng thái ủ, sau đó

cần đ ư ợ c nhiệt luyện giả m ứ n g suất dư

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐHBK Hanoi

1

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM THẤP

3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

3.3 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp chịu nhiệt

3.4 Công nghệ hàn thép độ bền cực cao có nồng độ

cacbon trung bình

• S o với các loại thép đã biết:

– C ầ n sử d ụ n g các biện pháp công nghệ đ ặc biệt khi hàn

– L ý do: n ồ n g độ cacb o n và các ng u yên tố hợ p ki m lớ n h ơ n n hiều,

v ù n g ảnh h ư ở n g nhiệt rất nhạy cả m v ới chu trình nhiệt hàn (chế

đ ộ hàn)

– Đ ể giảm tốc độ ng u ội của vùn g ảnh h ư ở n g n hiệt, cần sử dụ n g các biện pháp côn g nghệ đặc biệt k hi hàn Chỉ thay đổi chế độ h à n:

k h ô n g đủ.

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐHBK Hanoi

3

Động học quá trình phân hủy austenit khi hàn

3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐH BK Hanoi

4

3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp

Từ động học quá trình phân hủy austenit:

• Xuất hiện hai xu hướng đối lập:

– Nếu tốc độ nung khi hàn nhỏ và t’+t” dài: hạt austenit tăng tính ổn định và kích thước Đặc trưng cho thép không chứa hoặc chứa lượng nhỏ các nguyên tố tạo cacbit (Cr, Mo, V, v.v.) Hệ quả: khu vực tôi không hoàn toàn sẽ dịch chuyển về phía có tốc độ nguội nhỏ ( hạt thô, suy giảm tính dẻo, độ dai va đập vùng ảnh hưởng nhiệt )

– Ngược lại, nếu tốc độ nung khi hàn lớn và t’+t” ngắn: mức độ đồng nhất hóa và tính ổn định của austenit giảm Đặc trưng cho thép chứa các nguyên tố tạo cacbit Hệ quả: khu vực tôi không hoàn toàn sẽ dịch chuyển về phía có tốc độ nguội lớn ( vùng ảnh hưởng nhiệt bị giòn do mactenzit, có thể nứt )

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐHBK Hanoi

5

3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp

Có tương quan giữa sự thay đổi cơ tính của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt với tốc độ nguội và thời gian t’+t”

• Cần xác định khoảng tốc độ nguội giới hạn và chọn giá trị

tính toán theo tỷ lệ phần trăm martenzit trong tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt bảo đảm cơ tính thích hợp của nó cho mục đích sử dụng:

– Khi hàn thép độ bền cao: 20 – 30% mactenzit

– Cho tới 50% mactenzit: chỉ cho phép khi hàn các kết cấu có độ cứng vững nhỏ (có thể co dãn tự do) hoặc nếu sau khi hàn có tiến hành nhiệt luyện.

• Tỷ lệ martenzit được phép Æ Dải tốc độ nguội cần thiết

N g ô Lê Thông, B/ m Hàn CN K L,

Đ H B K Hanoi

6

3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép hợp kim thấp

V ới m ỗi loại thép hợp kim thấp, có m ột dải tốc độ nguội tối

ưu ∆ wo pt (từ w1 đến w2), trong đó không xuất hiện nứt vùng ảnh hưởng nhiệt và cơ tính được coi là đạt yêu cầu.

ổn định nhất của austenit)

– K hi w > w2: vùng ảnh hư ởng nhiệt bị tôi mạnh, tính dẻo giả m

– K hi w < w1: xảy ra hiện tượng tăng kích thước hạt vùng ảnh

hư ởng nhiệt, tính dẻo và độ dai va đập của nó bị suy giả m

sơ bộ

N gô Lê Thông, B/ m Hàn CN K L,

Đ H B K Hanoi

7

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Ki m loại cơ bản: cấu trúc mactenzit (so với thép HSLA: chủ yếu có cấu trúc ferit, peclit)

– Giới hạn chảy 350÷1240 M Pa, trạng thái tôi và ram (Q T steel), chứa từ0,10÷0,25 % C

– M n, Si, Cr, Ni, Mo, V, Ti, B, Cu, Nb (để tạo tổ chức mactenzit và bainit dưới

– Ứng dụng: bể chứa, bình chứa áp lực và các kết cấu nhiệt độ thấp

2222

Độ dãn dài tương đối [%]

410345

Giới hạn chảy [MPa]

550÷690480÷620

Độ bền [M Pa]

0,24 C (tiêu biểu max 0,20); 0,70÷1,35 Mn (tiêu biểu min 1,00); max 0,035 P; max 0,040 S; 0,15÷0,50 Si; Al để tạo hạt mịn; max 0,35 Cr; max 0,25 Ni; max 0,25 Cu; max 0,08 Mo

Thành phần hóa học [%]

A537 B (Q & T)A537 A (thường hóa)

Tính chất

– V ật liệu hàn chứa ít hydro

– N u ng nóng sơ bộ: theo chiều dày tấm, nhiệt độ bên ngoài và m ứ c độ cứng vững của liên kết (40÷100 oC).

– Ki m loại mối hàn: cần có độ bền, độ dai va đập ở nhiệt

độ thấp như của kim loại cơ bản

• H àn nhiều lớp với tốc độ cao hay hàn ít lớp với tốc độ thấp?

• D ây hàn 2,5 Ni-Cu hoặc Ni- M n- M o (M I L-1005 C1 với %: 0,04 C; 1,6 M n; 0,30 Si; 0,30 M o; 1,7 Ni và 0,005 S; 0,005 P)

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐH B K Hanoi

10

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Thí dụ hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp T-1 (thép ASTM A514/A517):

– được hợp kim hóa bằng nhiều nguyên tố và có chứa bo (B).

– giới hạn chảy tối thiểu là 690 MPa

– kết cấu xe công trình, các thiết bị di động và cầu, tòa nhà, bình chứa áp lực, bể chứa, đường hầm dẫn nước, tàu biển, v.v

– ở trạng thái tôi và ram có cấu trúc bainit ram và mactenzit ram (tôi trong nước từ 890 oC và ram ở tối thiểu 620 oC).

– Cr- Mo-Cu-Ti-B (A517 E),

– M n- Ni-Cr- Mo-Cu- V-B (A517 F),

– M n-Si-Cr- Mo-Zr-B (A517 G),

– M n- Ni-Cr- Mo-V- B (A517 H),

– M n- M o -B (A517 J),

– M n- M o -B (A517 K),

– Cr- Mo-Cu-Ti-B (A517 L),

– M n- Ni-M o-B (A 517 M )

N gô Lê Thông, B/ m Hàn CN K L,

Đ H B K Hanoi

12

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Thí dụ hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp T-1 (thép

A S T M A514/A517): thép tiêu biểu T-1 ( A514 Gr.B và A517 Gr.B ).

–0,01÷0,03

–Ti

Tối thiểu 0,00050,0005÷0,005

0,002÷0,006B

––

0,15÷0,50Cu

0,03÷0,080,03÷0,08

0,03÷0,08V

0,20÷0,300,15÷0,25

0,40÷0,60

M o

0,40÷0,650,40÷0,65

0,40÷0,65Cr

0,30÷0,70–

0,70÷1,00Ni

0,20÷0,350,20÷0,35

0,15÷0,35Si

0,95÷1,300,70÷1,00

0,60÷1,00

M n

0,12÷0,210,12÷0,21

0,10÷0,20C

T-1 loại BT-1 loại A

T-1[%]

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐHBK Hanoi

13

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Thí dụ hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp T-1 (thép ASTM A514/A517): thép tiêu biểu T-1 (A514 Gr.B và A517 Gr.B).

– Trang thái kim loại cơ bản:

• Sau cán nóng: ferit trước cùng tích và mactenzit cacbon cao với giới hạn chảy tương đối thấp (550 MPa cùng độ dai va đập thấp ở – 46 oC)

• Sau khi tôi: các sản phẩm phân hủy austenit ở nhiệt độ thấp, tức là mactenzit

và bainit Giới hạn chảy và độ dai va đập cao hơn nhiều

• Ram ở nhiệt độ trên 593 oC: giới hạn chảy và giới hạn bền giảm đáng kể, nhưng độ dãn dài tương đối lại tăng gần 2 lần, và độ dai va đập tăng đáng

K h ô ng cần

27 tại – 51 o C

27 tại – 51 o C

16 20

15

Đ ộ dãn dài tối

thiểu [ %]

607 600

600 672

665

Gi ới hạn chảy

[ M Pa]

690 690

690 760

760

Đ ộ bền [ M Pa]

0,10 0,75÷1,70 0,030 0,030 0,60 1,40÷2,10 0,35 0,25÷0,50 0,05

– 1,0 min – – 0,80 min 0,50 min 0,30 min 0,20 min 0,10 min

0,15 1,65÷2,0 0,030 0,040 0,80 – – 0,25÷0,40 –

0,10 1,30÷1,80 0,030 0,030 0,60 1,25÷2,50 0,40 0,25÷0,50 0,05

– 1,0 min – – 0,80 min 0,50 min 0,30 min 0,20 min 0,10 min

[ %] C

M n P S Si Ni Cr

M o V

•

N gô Lê Thông, B/ m Hàn CN K L,

Đ H B K Hanoi

15

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Thí dụ hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp T-1 (thép A S T M A5 14/A517): thép tiêu biểu T-1 (A514 Gr.B và A517 Gr.B).

– qd nhỏ, Tp tương đối thấp Que hàn bazơ ít hydro phải được sấy kỹ với độ ẩ m dưới 0,2%

– Hàn dưới lớp thuốc: dây hàn M n-Ni-Cr- M o với thuốc

hàn trung tính hoặc dây hàn thép cacbon thấp kết hợp

với thuốc hàn gố m dùng riêng cho thép T-1

– Hàn trong môi trường khí bảo vệ Ar+ O2 bằng điện cực

nóng chảy, dây hàn Mn- N i-Cr-M o.

tan trong kim loại mối hàn Cân đối thế nào?

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

ĐH BK Hanoi

16

3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram

• Thí dụ hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp T-1 (thép AST M A514/A517): thép tiêu biểu T-1 (A514 Gr.B và A517 Gr.B).

– Không ram sau khi hàn vì

• Ram khử ứng suất dư ở 510÷694 oC làm giảm độ dai va đập của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, đặc biệt khi vật hàn được làm nguội chậm

• Có thể tạo nên nứt giữa các tinh thể trong khu vực hạt thô của vùng ảnh hưởng nhiệt (xảy ra ở ngay giai đoạn đầu khi nung, trước khi khử được ứng suất dư (hiện tượng nứt do ram)

– Nếu thực sự cần thiết tiến hành nhiệt luyện khử ứng suất dư để ổn định hóa kích thước trong quá trình gia công cơ tiếp theo hoặc để chống ăn mòn dưới ứng suất:

• Nhiệt độ ram khử ứng suất dư không đưọc vượt quá nhiệt độ ram trước khi hàn (620 oC đối với thép T-1), hoặc dưới nhiệt độ đó khoảng

30 oC để tránh giảm độ bền của thép

N g ô Lê Th ôn g, B/ m H à n C N K L,

Đ H B K H a n oi

17

3.3 Công nghệ hàn thép hợp ki m thấp chịu nhiệt

3.3.1 Kim loại cơ bản

– Vận hành lâu dài ≤ 600 oC C h ế tạo thiết bị các nhà má y nhiệt điện, nhà m á y sản xuất phân hóa học và nhà m á y hóa dầu

– Khả năng chống oxi hóa cao, chống ăn m ò n cao trong môi trường sulphit, có độ bền nhiệt cao

– Thép Cr – M o (0,5 hoặc 1 % M o tùy % Cr) và thép Cr – M o –

V có cấu trúc peclit

– Ví dụ: 0,5 0,5 M o; 1 0,5 M o; 1,25 0,5 M o; 2 0,5 M o; 2,25 Cr-1 M o; 3 Cr-1 M o; 5 Cr-0,5 M o; 5 Cr-0,5 M o Si;

Ngô Lê Thông, B/m Hàn CNKL,

Đ H B K Hanoi

18

3.3 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp chịu nhiệt

3.3.3 Vật liệu hàn, công nghệ và kỹ thuật hàn

– Quá trình hàn:

• Hàn hồ quang, hàn điện xỉ.

– Yêu cầu với vật liệu hàn:

• Ít hydro Nung sơ bộ và ram sau khi hàn Tp tăng theo chiều dày tấm, giảm khi hydro khuyếch tán giảm

• Kim loại mối hàn: độ bền và tính dẻo cần thiết (chứa các nguyên tố tạo cacbit mạnh nhằm ngăn khuyếch tán KLCB – KL M H)

–Vì vậy yêu cầu thành phần mối hàn gần giống KLCB:

• max 0,15% C; và max 0,5% Si; 1,5% Mn; 1,5% Cr; 2,5% Ni; 0,5% V; 1,0% Mo và 0,5% Nb.

• Ram khử ứng suất dư (liên tục với nung sơ bộ và hàn).

• Tuy nhiên thép có max 2,25%Cr có thể được làm nguội đến 25oC rồi ram.

• Nếu không liên tục được, phải để hydro thoát hết (ở

427oC và 3 min/25mm rối mới giảm xuống 25oC và ram sau đó).

680÷7609Cr-1Mo

680÷7607Cr-0,5Mo

680÷7605Cr-0,5MoTi

680÷7605Cr-0,5MoSi

680÷7605Cr-0,5Mo

680÷7603Cr-1Mo

680÷7602,25Cr-1Mo

680÷7602Cr-0,5Mo

590÷7451,25Cr-0,5Mo

590÷7301Cr-0,5Mo

590÷7000,5Cr-0,5Mo

Nhiệt độram khửứng suất dư [oC]

Loại thép

• Thiết bị áp lực, chịu tải trọng lớn, có độ bền cao (980÷1900

M Pa hoặc hơn) và tính dẻo cao sau nhiệt luyện (tài liệu của Nga gọi là thép hợp kim trung bình có nồng độ cacbon trung bình).

• Max 0,5% C, 5÷9% hợp kim Cr, Mo, Ni làm bền hóa pha ferit

và tăng tính thấm tôi của thép Thành phần tiêu biểu: 33X3HBΦ M A, 43X3CHB Φ M A, 30XH2 M Φ A

• Cơ tính cần thiết: sau khi tôi và ram cao hoặc ram thấp

• Do tính thấm tôi mạnh, khi hàn bằng các chế độ hàn thông

thường, kể cả sử dụng các biện pháp giảm tốc độ nguội, như nung nóng sơ bộ, tại vùng ảnh hưởng nhiệt bao giờ cũng chứa một lượng lớn mactenzit, gây giảm cơ tính và nứt

• Có tính hàn kém, chỉ hàn khi thật cần thiết theo công nghệ đặc

biệt mà không nung nóng sơ bộ

– Không nung nóng sơ bộ khi hàn

q k l

l: chiều dài phân đoạn hàn bảo đả m vùng ảnh hưởng nhiệt của lớp trước chỉ

nguội đến Tb

kc: hệ số cháy của hồ quang (thời gian có hồ quang/tổng thời gian hàn đoạn đó),

0,6 – 0,8 cho hàn hồ quang tay, 0,8 – 0,9 cho hàn tự động và bán tự động

Tb = TM s + (50 đến 100 oC)

λ = 0,09 cal/cm.s.oC; cρ = 1,25 cal/cm3.oC; δ = [cm] chiều dày tấm

v = [cm/s] tốc độ hàn

•Tự đọc ở nhà

3

7 ,

0

T T

v

q k k l

N g ô Lê Thông, B/ m Hàn CN K L,

Đ H B K Hanoi

25

• X ác định thời gian tb lưu kim loại vùng ảnh

hưởng nhiệt trên nhiệt độ Tb

1 Tì m công suất tính toán của hồ quang

2 Tính nhiệt độ tương đối

3 Tính khoảng cách tương đối của vùng ảnh hưở ng nhiệt

4 Tính thời gian tác động tương đối của nguồn nhiệt

5 Tính thời gian nung vùng ảnh hư ởng nhiệt lớp thứ nhất (cao hơn nhiệt độ Tb)

6 Tính thời gian nung vùng ảnh hư ởng nhiệt lớp trên cùng (cao hơn nhiệt độ Tb)

3.4 Công nghệ hàn thép độ bền cực cao có nồng độ

cacbon trung bình

• Tự đọc ở nhà