Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép cacbon

Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ về số nhà máy lọc hoá dầu ở Việt Nam dẫn đến nhu cầu lớn về xây dựng các bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas nên việc cần phải có các qui trình h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn I Mục lục II Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt VIII Danh mục bảng biểu XI Danh mục hình vẽ và đồ thị XII

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 2

2 Phạm vi nghiên cứu 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 Giới thiệu về kim loại hàn 5

1.1.1 Thép không gỉ 5

1.1.1.1 Phân loại 5

a Thép không gỉ austenit 6

b Thép không gỉ ferit 6

c Thép không gỉ mactenzit 6

d Thép không gỉ duplex 6

e.Thép không gỉ biến cứng kết tủa 7

1.1.1.2 Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép không gỉ

7 1.1.1.3.Tính hàn của thép không gỉ austenit 7

a.Nứt nóng kim loai mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

7

b Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt

độ cao

10 c Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số giãn nở nhiệt lớn

11 d.Hiện tượng phá hủy liên kết hàn thép austenit do ăn mòn tinh giới

12 e Hiện tượng phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn dưới ứng suất

13 1.1.1.4 Công nghệ hàn thép không gỉ 316L bằng phương pháp hàn TIG

13 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 và cơ tính vật liệu cơ bản thép cacbon

16 1.2.1.3 Tính hàn của thép A516 Grade 65 16

a Chu trình nhiệt hàn và tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt

17 b Nhiệt độ giữa các đường hàn TIG 18

1.2.1.4 Công nghệ hàn thép A516 Grade 65 bằng phương pháp hàn TIG

18 1.3 Công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại bằng phương pháp hàn TIG

18 1.3.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động phương pháp hàn TIG

18 1.3.2 Đặc điểm của quá trình hàn 19

1.3.3 Điện cực hàn TIG 20

1.3.4 Cường độ dòng điện khi 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 trong và ngoài nước 25

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 25

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 25

1.6 Định hướng nghiên cứu của đề tài 27

Chương 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG 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 tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 29

2.3.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.3.2 Phạm vi nghiên cứu 30

2.4 Phương pháp nghiên cứu 30

Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 32 3.1 Các phương pháp hàn thép cacbon và thép không gỉ 32

3.1.1.Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp hàn nổ (Explosive Welding Process)

32 3.1.2 Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp hàn ma sát

33 a Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp hàn ma sát ngoáy (Friction Stir Welding Process)

33 b Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp hàn ma sát quay

35 3.1.3 Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance Spot Welding Process)

35

3.1.4 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn

hồ quang

37 3.1.4.1 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn MIG

37 3.1.4.2 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn TIG

37 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 giữa các 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 bản chất 50

3.3 Các phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn 51

3.3.1 Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp siêu âm (UT-Ultrasonic Test)

52 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 bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ

58

3.3.3 Kiểm tra vật liệu bằng thử kéo 61

3.3.3.1.Các phương 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

Chương 4 THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 73 4.1 Quá trình thực hiện mẫu hàn giáp mối 73

4.1.1 Chuẩn bị mẫu hàn 73

4.1.1.1.Kích thước 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 và kích thước mối hàn đính 77

4.1.2.2.Xử lý biến dạng hàn 78

4.1.3.Hàn 80

4.1.3.1.Năng lượng đường (Heat input) 80

4.1.3.2.Nhiệt độ giữa các đường hàn (Tip- interpass temperature)

81 4.1.3.3.Trình tự bố trí các lớp hàn và đường 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 đường kính que hàn bù 1,6 mm

83 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 96

4.3 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đường kính que hàn bù  2,4 mm

4.3.1.Quy trình thực nghiệm mẫu hàn

97 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 đường kính que hàn bù 3.2 mm

105 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 các thông số hàn đạt năng suất cao nhất

110 4.4.4.Xác định cường độ dòng điện 110

4.4.5.Quy trình hàn với cường độ dòng 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

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 5.1 Kết luận 132

5.2 Kiến nghị 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong công nghiệp hóa chất các dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục trong các điều kiện công nghệ khắc nghiệt được khống chế rất nghiêm ngặt và một môi trường hóa chất gây nên han gỉ, hư hỏng cho các thiết bị, máy móc Theo số liệu thống kê mới nhất, trong các nhà máy hóa chất chi phí dành cho bảo vệ chống ăn mòn chiếm 70 - 80% chi phí sửa chữa và dịch vụ sửa chữa trong năm Do vậy, người ta ngày càng chú ý hơn đến việc bảo vệ chống ăn mòn thiết bị công nghệ để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn Một trong các kỹ thuật bảo vệ chống ăn mòn là lựa chọn loại vật liệu chế tạo nên kết cấu, máy móc có khả năng làm chậm quá trình ăn mòn

Thép không gỉ, thép hợp kim cao chịu ăn mòn trên cơ sở thép crôm – niken

có giá thành cao, là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị, máy móc sản xuất hóa chất Tuy vậy, người ta không thể sử dụng thép hợp kim để chế tạo hoàn toàn một kết cấu máy vì lý do kinh tế, mà chỉ sử dụng chúng cho từng vị trí công nghệ có yêu cầu cao về nhiệt và chống mòn

Từ đây, vấn đề sử dụng các kết cấu được hình thành từ hai loại vật liệu là thép cacbon và thép không gỉ đã được đặt ra Để đáp ứng điều này, các nhà chế tạo máy đã đưa ra giải pháp là sử dụng đồng thời thép hợp kim (thép không gỉ) và thép cacbon trong một kết cấu bằng kỹ thuật hàn Đây là một vấn đề khó khăn vì trong thực tế, để xây dựng một qui trình hàn thép không gỉ - thép cacbon là không đơn giản vì chúng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật mà còn phụ thuộc vào tay nghề của người thợ Ngoài ra, việc cải thiện năng suất hàn mà vẫn đảm bảo chất lượng mối hàn cũng như không có khuyết tật hàn là một vấn đề đặt ra trong thực tế Tring thực tế sản xuất, năng suất hàn phụ thuộc vào rất nhiều thông số như chế độ hàn, vật liệu hàn, tốc độ hàn, trang bị gá kẹp và tay nghề thợ hàn Đây là các nội dung chính được quan tâm đề

cập đến trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề đề xuất được một qui trình công nghệ chế tạo hàn đạt năng suất hàn là cao nhất

Việc tham gia của các kim loại khác nhau trong cùng một kết cấu nói chung

là một thách thức lớn về công nghệ vì sự khác biệt trong các tính chất lý tính, cơ tính và phương pháp luyện kim của các kim loại cơ bản Đây chính là vấn đề khó khăn khi sử dụng hai kim loại khác nhau (ở đây là thép cacbon và thép không gỉ) để chế tạo các kết cấu cơ khí bằng phương pháp hàn

Hình 1: Sản xuất hệ vỏ & ống trao đổi nhiệt sử dụng hai vật liệu

Sự tham gia của kim loại khác nhau đã mang đến một tiềm năng sử dụng những lợi thế của vật liệu khác nhau để chế tạo ra các kết cấu cơ khí ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, nhà máy nhiệt điện Mục đích chính của việc sử dụng kim loại thứ hai tham gia trong kết cấu là để đạt được tính chất cơ học tốt hoặc là khối lượng riêng thấp hay có tính chống ăn mòn tốt Và kỹ thuật thường được áp dụng cho phép sử dụng hai kim loại khác nhau trong những năm gần đây là kỹ thuật hàn

Mặc dù những vấn đề liên quan đến hàn các vật liệu khác nhau là rất hạn chế, xuất phát từ các vấn đề như độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn như hàn thép không

gỉ austenit với thép cacbon Thép không gỉ austenit là thép hợp kim cao làm tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn và tăng độ bền của kết cấu Thép cacbon

thấp và trung bình là thép dễ dàng gia công bằng các quá trình cơ khí và quá trình hàn Nhu cầu sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này trong một số ngành công nghiệp bằng kỹ thuật hàn đã đưa đến các tiến bộ như hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW/TIG) Trong các tiêu chuẩn AWS D1.1, AWS D1.6 và ASME

IX việc hàn hai kim loại khác nhau được đề cập đến với các thông số khá tổng quát

và phạm vi giá trị khá rộng Do vậy, việc xác định các qui trình hàn phù hợp cho hai vật liệu với mác cụ thể là một khó khăn do cần phải thực hiện một số lượng lớn thí nghiệm cùng với chi phí đo kiểm cao Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ về

số nhà máy lọc hoá dầu ở Việt Nam dẫn đến nhu cầu lớn về xây dựng các bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas nên việc cần phải có các qui trình hàn phù hợp có năng suất cao để hàn hai loại vật liệu khác nhau như thép cacbon thấp và thép không gỉ là

rất cấp thiết Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu các thông số ảnh

hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép các-bon ” đã được triển

khai nghiên cứu tại trường đại học Lâm nghiệp Hà Nội và các công việc thí nghiệm, đánh giá được thực hiện tại phòng thí nghiệm RemeLab (trường đại học Sư phạm

Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh)

2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung nghiên cứu:

- Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon với thép không gỉ austenit A240

- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến chế độ hàn, năng suất hàn

- Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã được xác định nhằm đạt được năng suất hàn cao

Trong khuôn khổ phạm vi đề tài, năng suất hàn ở đây được hiểu là năng suất

hàn cao nhất có thể đạt được trên cơ sở qui trình hàn đã đề xuất mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng mối hàn (độ bền, thẩm mỹ,…) cũng như không có

chứa các khuyết tật hàn

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

a Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn từ thép cacbon –

thép không gỉ austenit đạt yêu cầu chất lượng bằng phương pháp hàn TIG

- Xác định được thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn

phụ để hàn cặp vật liệu thép cacbon với thép không gỉ austenit

- Xác định được các thông số hàn (cường độ dòng điện hàn, vận tốc hàn,

đường kính que hàn) phù hợp và qua đó tìm được chế độ hàn đạt năng suất cao

b Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Ứng dụng phương pháp hàn TIG để hàn thép cacbon với thép không gỉ

austenit mối hàn liên kết tấm giáp mối được vát cạnh chữ V

- Đề xuất được chế độ hàn đạt năng suất cao có thể ứng dụng vào thực tế

sản xuất

- Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào quá trình đào tạo, kiểm tra chất lượng mối hàn bằng phương pháp kiểm không phá hủy (NDT) và phương pháp phá hủy (DT) Qui trình hàn đề xuất có thể chuyển giao cho các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ hàn hàn hai vật liệu thép cacbon – thép không gỉ nói riêng và công nghệ hàn hai vật liệu nói chung để đạt được năng suất cao, cho phép giảm chi phí

sản xuất trong các ngành công nghiệp đặc thù như đóng tàu, dầu khí, hóa chất,…

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về kim loại hàn

1.1.1 Thép không gỉ

Thép không gỉ là một nhóm thép hợp kim cao, chứa ít nhất 12% crôm [1, 20] Nói chung, chúng được tạo thành từ các nguyên tố hợp kim với một nguyên tố khác làm cho chúng có thể chống ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau Những nguyên tố này cũng làm thay đổi cấu trúc tế vi của thép hợp kim, do đó có ảnh hưởng rõ rệt về tính chất cơ học và tính hàn của chúng

Có nhiều hệ thống khác nhau đang được sử dụng để ký hiệu thép không gỉ

Ký hiệu được sử dụng phổ biến là hệ thống AISI (tiêu chuẩn Mỹ), trong hệ thống này nhóm thép không gỉ austenit được ký hiệu trong dãy 200 và 300, thép không gỉ mactenxit và ferrit được ký hiệu trong dãy 400 [1, 20]

Để nhận biết thép có tổ chức kim loại thuộc nhóm nào, có thể sử dụng giản

đồ Schaeffler hình 2.1 Giản đồ Schaeffler cho biết tổ chức pha gần đúng của thép (trong điều kiện cân bằng về nhiệt động học) trên cơ sở đương lượng crom (CrE) và đương lượng niken (NiE)

Hình 1.1 Giản đồ Schaeffler [28]

Một phương pháp hữu ích để đánh giá các đặc tính chung của quá trình luyện kim của vật liệu hàn thép không gỉ là bằng sơ đồ Schaelfler và Delong Các nguyên tố hợp kim khác nhau được thể hiện trong giới hạn của hàm lượng niken hoặc crôm tương đương (tức là các nguyên tố như niken có xu hướng hình thành austenit và các nguyên tố như crôm có xu hướng hình thành ferit) Bằng cách vẽ tổng giá trị cho niken và crôm tương đương trên các sơ đồ này, một điểm có thể được tìm thấy chỉ ra các pha chính có trong thép không gỉ và giới hạn về % ferit và giá trị ferit tương ứng Điều này cung cấp một số thông tin như ứng xử của nó trong quá trình hàn

1.1.1.1 Phân loại

a Thép không gỉ austenit: là thép có chứa 17 – 20% Cr và 8 – 13% Ni, 2 -

3% Mo [16] Đặc điểm chung của nhóm thép này là chịu được nhiệt độ cao, tính chống

ăn mòn cao, hoàn toàn ổn định trong nước sông, nước biển, quá nhiệt, dung dịch muối, hoàn toàn ổn định trong HNO3 với mọi nồng độ Công dụng của nhóm thép này là sử dụng trong công nghiệp sản xuất axít, hóa dầu và thực phẩm Trong lĩnh vực chế tạo thì nhóm này có tính hàn rất tốt bao gồm các chủng loại 304, 310, 316

b Thép không gỉ ferit: là thép có chứa 13 – 18% Cr (một số mác thép

thành phần Cr có thể lên tới 29%) [16] và hàm lượng cacbon thấp < 0,1% Đặc điểm của nhóm này là có tình chống ăn mòn cao Công dụng của nhóm này là sử dụng trong môi trường khí hậu biển, nước biển, môi trường axít, công nghiệp hóa dầu

c Thép không gỉ mactenxit: là nhóm thép có chứa 12 – 18% Cr và 0,15 –

0,3% C Nhóm thép này có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nước máy, nước sông và axit HNO3 Công dụng phổ biến là làm đồ trang sức, ốc vít không gỉ, chịu nhiệt (< 4500C), ổ bi chống ăn mòn

d Thép không gỉ duplex (còn gọi là thép hai pha ferit – austenit): là nhóm

thép có chứa 22 – 25% Cr, 5 – 7% Ni và tới 3 – 4% Mo [16] Duplex là thép không

gỉ mới nhất, vật liệu này là sự kết hợp của các vật liệu austenit và ferit Vật liệu này

có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vượt trội

e Thép không gỉ biến cứng kết tủa: Thép không gỉ biến cứng kết tủa là

nhóm thép không gỉ quan trọng có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn, chống oxi hóa tốt và dễ gia công trong chế tạo Thép loại này được bền hóa theo cơ chế hình thành mactenzit, bền hóa phân tán hoặc kết hợp cả hai

1.1.1.2 Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép không gỉ

Thép không gỉ sử dụng trong liên kết hàn nghiên cứu trong đề tài này là thép không gỉ austenit ASTM A240 316L (tương đương với mác thép SA240 SS316L theo tiêu chuẩn ASME) Thành phần hóa học của thép không gỉ austenit ASTM A240 316L được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ A240 316L [20]

Vật liệu cơ bản Thành phần hóa học (%)

C Mn P S Si Cr Ni Mo

ASTM

A240 316L 0.03 2.0 0.045 0.03 0.75 16-18 10-14 2.0-3.0

Cơ tính của thép không gỉ A240 316L được cho trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Cơ tính của thép không gỉ A240 316L [20]

Vật liệu cơ bản Trạng thái

Cơ tính

Độ bền kéo (MPa)

Giới hạn chảy (MPa)

Độ giãn dài tương đối (%)

ASTM

1.1.1.3 Tính hàn của thép không gỉ austenit

a Nứt nóng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

Trên hình 1.2 là sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn thuần túy austenit Các tinh thể austenit  (chúng có nhiệt độ nóng chảy cao) kết tinh trước, hình thành dần kim loại đắp cuối giai đoạn kết tinh của các tinh thể này, pha lỏng có nhiệt độ nóng

chảy thấp hơn và độ bền thấp hơn (cùng tinh) bị các tinh thể đẩy vào vùng tinh giới

để kết tinh sau cùng Do không có chuyển biến pha rắn, trong quá trình nguội, các tinh thể kim loại có kích thước lớn, tiết diện lớn và diện tích bề mặt nhỏ (hạt thô); lớp cùng tinh giữa các tinh thể có chiều dày lớn Độ bền và khả năng biến dạng của kim loại như vậy nhỏ Sự co ngót kim loại mối hàn và ứng suất kéo tăng trong quá trình nguội sẽ gây nứt nóng Kiểu kết tinh này đặc trưng cho hàn nhiều lớp, khi các tinh thể của lớp sau lớn lên từ các tinh thể của lớp trước (quá trình kết tinh của kim loại mối hàn mang tính định hướng cao) [1]

Khi trong mối hàn có tổ chức kim loại hai pha là austenit () và delta ferit (), hiện tượng nứt nóng có thể được khắc phục Trên hình 1.3 là sơ đồ kết tinh mối hàn thép austenit với kim loại mối hàn có tổ chức  và 

Vai trò ngăn nứt nóng của ferit liên quan đến quá trình kết tinh sơ cấp của kim loại mối hàn như sau: lúc kết tinh đồng thời xuất hiện 2 pha  và  sơ cấp có tác

dụng làm mất định hướng kết tinh của kim loại mối hàn, tức là làm giảm tiết diện các cột tinh thể  và làm mịn các lớp giữa các tinh thể, được chia cách bằng các đoạn  ferit sơ cấp Các nguyên tố ổn địng ferit (Si,Al, Mo) có tác dụng khử lưu huỳnh trong vũng hàn (làm giảm lượng sunphit cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp) Như vậy tác dụng của  ferit là hòa tan tạp chất và giảm hiện tượng thiên tích Nứt nóng có đặc trưng của nứt giữa các tinh thể, chủ yếu dưới dạng cấu trúc hạt thô khi các tinh thể kết tinh của lớp sau nối tiếp lớp trước Nứt nóng có thể xuất hiện khi hàn, nhiệt luyện và cả khi vận hành kết cấu ở nhiệt độ cao

Cần lưu ý là khi hàn, nứt nóng có thể sảy ra không chỉ trong kim loại mối hàn mà cả trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Để khắc phục hiện tượng nứt nóng, có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Làm mịn các hạt tinh thể khi cho các hạt này kết tinh bằng cách làm mất định hướng của chúng, giảm chiều dày của lớp cùng tinh, để kim loại mối hàn chứa một lượng nhất định  ferit sơ cấp

- Sử dụng vật liệu hàn chứa ít tạp chất P, S (dây hàn, lõi que hàn đã qua tinh luyện chân không hoặc tinh luyện điện xỉ)

- Giảm trị số của các thông số hàn như năng lượng đường, tiết diện mối hàn, lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn

Vấn đề lượng  ferit cần thiết cho kim loại mối hàn có tầm quan trọng khi chọn vật liệu và chế độ công nghệ hàn thép austenit Giản đồ Scheaffler (có từ năm 1949), hình 1.1, được dùng để đánh giá nhanh tổ chức kim loại dựa trên cơ sở thành phần của thép Cr – Ni Tỷ lệ %  ferit trong kim loại mối hàn có thể được xác định bằng phương pháp kim tương

Tuy nhiên điều này không phải bao giờ cũng thuận tiện cho điều kiện sản xuất hàn Giản đồ Delong (hình 1-4) được đưa ra sử dụng từ năm 1974 đã khắc phục được những nhược điểm chính của Schaeffler Nó tính tới vai trò của nitơ đối với tổ chức kim loại của thép và kết hợp với phương pháp đo bằng từ tính để giúp xác định nhanh lượng  ferit trong kim loại mối hàn, thông qua một chỉ số gọi là số ferit (FN: ferit number)

Với giản đồ Delong tỷ lệ % ferit càng thấp thì số FN càng chính xác Các kim loại khác nhau cần các số FN khác nhau Với thép không gỉ 316L cần ít nhất 3FN

Khi hàn, để đạt được lượng  ferit do các nhà sản xuất que hàn khuyến cáo thì cần sử dụng đúng quy trình hàn:

- Tránh sử dụng năng lượng đường lớn (dùng que hàn có đường kính nhỏ, không dao động ngang khi hàn, làm nguội nhanh mối hàn), nếu không lượng  ferit

sẽ tăng, làm giảm khả năng chống ăn mòn

- Tránh sử dụng chiều dài hồ quang lớn (mức độ bảo vệ không đầy đủ) nếu không sẽ làm tăng lượng nitơ trong mối hàn, gây mức austenit hóa mối hàn cao, tức

là làm giảm lượng  ferit cần thiết

Hình 1.4 Giản đồ Delong và số ferit FN [28]

b Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt độ cao

Hiện tượng giòn kim loại thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt austenit liên quan chủ yếu đến quá trình vận hành kết cấu hàn ở nhiệt độ cao Tốc độ nguội khi hàn cao có tác dụng giữ nguyên các tổ chức kim loại ổn định trong vùng có nhiệt độ

cao Sau đó, trong quá trình vận hành trong dải nhiệt độ từ 3500C trở lên, hiện tượng khuếch tán sẽ làm thay đổi tổ chức kim loại, dẫn đến suy giảm tính dẻo của kim loại mối hàn Kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt có thể bị giòn thông qua hiện tượng hóa già nhiệt trong vùng 350÷5000C Đây là vùng giòn 4750C Ngoài ra giữ mối hàn có tổ chức hai pha (austenit + ferit) một thời gian đủ lâu trong vùng 500÷6500C cũng gây nên hóa già do tiết ra pha cacbit Cr23C6 [1]

Hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng Ti hoặc Nb có tác dụng liên kết cacbon thành các hạt cacbit TiC và NbC bền vững, mịn và phân tán đều trong hạt kim loại austenit, không tạo điều kiện cho Cr liên kết với cacbon Giữ kim loại ở vùng 700-

8500C có tác dụng đẩy mạnh quá trình tiết ra pha sigma  (pha này làm giòn mối hàn ở nhiệt độ thấp và làm giảm giới hạn bền ở nhiệt độ cao) Các nguyên tố ổn định hóa ferit như Ti và Nb có tác dụng thúc đẩy quá trình này Do đó biện pháp tích cực nhất để loại

bỏ các pha cacbit crôm và sigma là giảm lượng cacbon trong kim loại mối hàn

c Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số giãn nở nhiệt lớn

Thép không gỉ austenit có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều so với thép thường Khi hàn nhiều lớp, kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt và các lớp hàn đầu tiên

bị nung nóng nhiều lần, làm cho chúng bị biến dạng nhiệt (biến cứng) Có bốn yếu

tố làm giảm cơ tính kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt và các lớp hàn đầu tiên [1]:

- Thứ nhất: Chu trình nhiệt hàn khi hàn có thể làm giảm tính dẻo và độ bền, dẫn đến nứt liên kết hàn

- Thứ hai: Khuếch tán có thể làm tăng lượng cacbon và ôxy trong vùng ảnh hưởng nhiệt Cùng với các tạp chất có hại, chúng tạo thành các cùng tinh có nhiệt

độ nóng chảy thấp

- Thứ ba: Vùng ảnh hưởng nhiệt được giữ lại một thời gian dài tại nhiệt độ vận hành cao, làm cho các pha mịn cacbit và pha sigma bị cầu hóa, gây nên hiện tượng giòn

- Thứ tư: Quá trình tiết ra các pha cacbit và sigma () trong kim loại mối hàn kết hợp với ứng suất dư sau khi hàn có tác dụng làm giảm tính dẻo và làm cục

bộ hóa biến dạng vùng ảnh hưởng nhiệt gây nứt

d Hiện tượng phá hủy liên kết hàn thép austenit do ăn mòn tinh giới

Ứng dụng lớn nhất của thép không gỉ austenit thuộc hệ Cr – Ni là sử dụng làm thép chống ăn mòn Nếu khi hàn sử dụng chế độ hàn không thích hợp thì khi vận hành, thép chống ăn mòn có thể bị ăn mòn tinh giới trong điều kiện tiếp xúc với môi chất ăn mòn

Có ba dạng ăn mòn tinh giới chủ yếu là ăn mòn tại vùng ảnh hưởng nhiệt, ăn mòn tại vùng kim loại mối hàn và ăn mòn dạng mũi dao [1]

a Ăn mòn tại

vùng ảnh hưởng nhiệt vùng kim loại mối hàn b Ăn mòn tại dạng mũi dao c Ăn mòn

Hình 1.5 Các dạng ăn mòn tinh giới

- Hình 1.5a: Ăn mòn tại vùng ảnh hưởng nhiệt, tại khu vực mà chu trình nhiệt hàn tạo nên các đường đẳng nhiệt tới hạn

- Hình 1.5b: Cacbit crom tiết ra tại kim loại mối hàn do tác động của chu trình nhiệt hàn Do đó kim loại mối hàn thừa C hoặc thiếu Ti, Nb

- Hình 1.5c: ăn mòn cục bộ kim loại cơ bản tại sát đường chảy của mối hàn

Có thể áp dụng các biện pháp sau đây để khắc phục hiện tượng ăn mòn tinh giới liên kết hàn:

- Giảm hàm lượng cacbon xuống giới hạn hòa tan trong austenit (0.02 ÷ 0.03%)

- Hợp kim hóa austenit bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh (Ti, Nb, Ta, V)

- Tôi đồng nhất hóa austenit từ 1050 ÷ 11000C (sau đó tránh kim loại lưu lại lâu trong vùng nhiệt độ nhạy cảm 500 ÷ 8000C)

- Tiến hành ủ ổn định hóa austenit sau khi hàn theo chế độ 850 ÷ 9000C trong thời gian 2 ÷ 3 giờ

- Bảo đảm tổ chức hai pha austenit + ferit thông qua hợp kim hóa mối hàn bằng các nguyên tố Cr, Si, Mo, Al…

e Hiện tượng phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn dưới ứng suất

Hiện tượng ăn mòn dưới ứng suất là tác động đồng thời của môi trường ăn mòn và ứng suất kéo Các nguyên nhân gây xuất hiện ứng suất kéo là: biến cứng, hàn, nhiệt luyện và tải vận hành Các yếu tố làm tăng khả năng phá hủy do ăn mòn dưới ứng suất là mức ứng suất gia tăng trong liên kết, chất ăn mòn có hàm lượng cao (ví dụ như clorit, hydroxit), nhiệt độ tăng và thời gian tác động tăng

Phá hủy do ăn mòn dưới ứng suất là dạng phá hủy giòn (giữa các tinh thể hoặc xuyên tinh thể), nhưng ít gây hậu quả nghiêm trọng như phá hủy giòn thông thường (ví dụ, trong các thiết bị chịu áp lực) Nó cáo thể tác động trong vòng vài giờ, gây nên rò gỉ hóa chất Về vị trí nó có thể xuất hiện tại vùng kim loại cơ bản (ứng suất do biến cứng, ứng suất do tải vận hành), tại vùng kim loại mối hàn và tại vùng ảnh hưởng nhiệt thép có hàm lượng cao

Các biện pháp chống ăn mòn dưới ứng suất bao gồm khống chế môi trường

ăn mòn, dùng vật liệu có khả năng chống ăn mòn tốt hơn (hợp kim coban, niken) và nhiệt luyện giảm ứng suất dư

1.1.1.4 Công nghệ hàn thép không gỉ 316L bằng phương pháp hàn TIG

Các loại thép không gỉ austenit đều có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Do đó yêu cầu đối với tính chất liên kết cũng khác nhau trong từng trường hợp, cho dù sử dụng cùng một mác thép Điều này đòi hỏi công nghệ hàn cũng khác nhau tương ứng về mặt lựa chọn vật liệu hàn, chế độ hàn và chế độ nhiệt

Thép không gỉ austenit có khả năng dẫn nhiệt kém nhưng lại có hệ số giãn nở nhiệt cao Kết quả là khi hàn, chiều sâu nóng chảy lớn hơn so với thép hợp kim thấp

và dễ sảy ra biến dạng sau khi hàn Với điện trở riêng lớn gấp 5 lần so với thép thường, điện cực có thể bị nung nóng quá mức khi hàn

Các biện pháp công nghệ được sử dụng để ngăn nứt nóng kim loại mối hàn

và vùng ảnh hưởng nhiệt là:

- Hạn chế lượng tạp chất như P, S, Pb, Sn, Bi trong kim loại cơ bản và kim loại mối hàn, giảm lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn

- Tạo tổ chức kim loại mối hàn có 2 pha Với thép bền nhiệt và thép chịu nhiệt có đương lượng niken không cao và tối đa 5% Ni Hợp kim hóa thép thêm bằng các nguyên tố như Mo, W và Mn có tác dụng giảm khả năng chống nứt nóng [1]

- Các biện pháp công nghệ thay đổi hình dạng vũng hàn và hướng phát triển các hạt austenit khi kết tinh

- Giảm tác dụng lực liên kết hàn: giảm dòng hàn, chọn dạng dạng mối hàn thích hợp

Để hàn thép không gỉ austenit bằng phương pháp hàn TIG dùng khí bảo vệ là khí trơ bao gồm khí argon (99,98%) hoặc khí helium (99,985%) Khí trơ không những có tác dụng ổn định hồ quang tốt mà còn hạn chế mức độ ôxy hóa các nguyên tố hợp kim khi hàn Quá trình hàn này thích hợp nhất cho các vật liệu 0,5 ÷ 10mm, đây là quá trình hàn có ưu thế hơn mọi quá trình hàn hồ quang khác như hàn

hồ quang tay (SMAW), hàn dưới lớp thuốc (SAW), hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), đặc biệt là khi hàn tấm mỏng

Khi hàn có thể sử dụng chế độ hàn thông thường lẫn chế độ hàn xung Dòng hàn ở chế độ hàn xung cho phép làm giảm kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt, mức

độ biến dạng Do đặc trưng kết tinh, hàn bằng chế độ xung cũng cho phép giảm tính định hướng kết tinh của tổ chức kim loại mối hàn, dẫn đến giảm khả năng nứt nóng

Điện cực trong phương pháp hàn TIG là điện cực không nóng chảy wonfram

có đường kính 1,6 ÷ 6,4 mm Dòng hàn thường sử dụng là dòng một chiều đấu thuận (DCEN) và và dòng hàn được điều chỉnh trong phạm vi rất rộng từ 10 ÷ 400A Đây là một ưu điểm rất lớn của phương pháp hàn TIG để trong quá trình hàn chúng ta có thể kiểm soát nguồn nhiệt đầu vào (heat input)

Chụp khí khi hàn TIG thép không gỉ là chụp gốm hoặc là chụp kim loại Nhưng khi hàn thép không gỉ austenit với chiều dày 10mm thì điện cực có thể bị nung nóng quá mức khi hàn Vì vậy trong trường hợp này chụp kim loại thường được chọn Cỡ chụp khí được chọn từ số 4÷8, phụ thuộc vào đường kính điện cực

cà kích thước rãnh hàn

1.1.2 Thép cacbon

Thép được coi là thép cacbon khi không có quy định nào về nồng độ tối thiểu của các nguyên tố Cr, Co, Nb, Mo, Ni, Ti, W, V, Zr hoặc bất kỳ nguyên tố nào khác cần đưa thêm vào để có được hiệu ứng hợp kim hóa cần thiết; khi nồng độ tối thiểu được quy định cho đồng (Cu) không vượt quá 0,40%; hoặc nồng độ tối đa quy định cho bất kỳ nguyên tố hợp kim nào trong các nguyên tố sau đây không vượt quá: 1,65% với Mn, 0,60% với Si và 0,60% với đồng Trong các loại thép, thép cacbon chiếm đa số về mức độ sử dụng (khoảng trên 80%) [1]

1.1.2.1 Phân loại

a Thép cacbon thấp

Thép cacbon thấp chứa đến 0,3%C, các loại thép này có giới hạn chảy thấp

và được dùng chủ yếu dưới dạng tấm hoặc thép cuộn ở rạng thái cán nguội hoặc cán nóng và có tính hàn rất tốt

Đây là nhóm thép cho phép hàn được bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau, chế độ hàn có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng, không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp (như nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện sau khi hàn…) mà vẫn đảm bảo nhận được chất lượng liên kết hàn có chất lượng mong muốn

b Thép cacbon trung bình

Thép cacbon trung bình tương tự như thép cacbon thấp, nhưng có nồng độ cacbon từ 0,3 - 0,6% và nồng độ Mn từ 0.6 - 1,65% Thép cacbon trung bình được dùng làm trục, bánh răng, trục khuỷu,…

So với nhóm trên, nhóm này chỉ thích hợp với một số phương pháp hàn nhất định, các thông số của chế độ hàn chỉ có thể dao động trong phạm vi hẹp, yêu cầu

về vật liệu hàn chặt chẽ hơn Một số biện pháp công nghệ như nung nóng sơ bộ, giảm tốc độ nguội và xử lý nhiệt sau khi hàn có thể được sử dụng

muốn trong các điều kiện rất khắt khe về công nghệ và vật liệu hàn, thường phải sử dụng biện pháp xử lý nhiệt hoặc hàn rong những môi trường bảo vệ đặc biệt (khí trơ, chân không…); chế độ hàn chỉ được điều chỉnh trong phạm vi rất hẹp Tuy vậy liên kết hàn vẫn có xu hướng bị nứt và dễ xuất hiện các khuyết tật khác làm giảm

chất lượng sử dụng của kết cấu hàn

1.1.2.2 Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép cacbon

Thép cacbon được sử dụng trong liên kết hàn hai vật liệu là thép cacbon thấp theo tiêu chuẩn ASTM có ký hiệu A516 Grade 65 thép chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt, bình áp lực, bồn bể chứa Thành phần hóa học và cơ tính của thép A516 Grade 65 được cho trong bảng 1.3

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của thép A516 Grade 65 [20]

Vật liệu cơ bản Thành phần hóa học (%)

C Mn Si P S

ASTM

A516 Grade 65 0,24 0,85÷1,20 0,15÷0.40 0.035 0.035

Cơ tính của thép A516 Grade 65 được cho trong bảng 1.4

Bảng 1.4: Cơ tính của thép A516 Grade 65 [20]

Vật liệu cơ bản Trạng thái

Cơ tính

Độ bền kéo (MPa)

Giới hạn chảy (MPa)

Độ giãn dài tương đối (%)

1.1.2.3 Tính hàn của thép A516 Grade 65

Theo định nghĩa của Hiệp hội hàn Mỹ (AWS), tính hàn là khả năng hàn được của vật liệu cơ bản trong điều kiện chế tạo đã được quy định trước nhằm tạo ra kết cấu thích hợp với thiết kế cụ thể và có tính năng thích hợp với mục đích sử dụng

Về tính hàn, trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 581:1980 cũng nêu lên ba khía cạnh tương tự, được coi là thước đo khả năng:

- Nhận được mối hàn lành lặn không bị nứt

- Đạt được cơ tính thích hợp

- Tạo ra mối hàn có khả năng duy trì tính chất trong quá trình vận hành

Về mặt thực tiễn, tính hàn được thể hiện thông qua ba nhóm chỉ tiêu là:

- Các chỉ tiêu tính toán (liên quan đến chế độ nhiệt)

- Các chỉ tiêu về độ lành lặn (chủ yếu liên quan đến khả năng hình thành nứt)

- Các chỉ tiêu về mặt tính chất

Thép A516 Grade 65 là thép cacbon thấp hạt mịn đã qua thường hóa, hàn các loại thép cacbon thấp đã qua thường hóa cũng dễ như hàn thép cacbon thấp khác mà không cần các biện pháp công nghệ đặc biệt [1]

a Chu trình nhiệt hàn và tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt

Chu trình nhiệt hàn là sự thay đổi nhiệt độ khi hàn một điểm nhất định trong kim loại mối hàn hoặc trong vùng ảnh hưởng nhiệt theo thời gian Chu trình nhiệt hàn là cơ sở chung để đánh giá ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn lên sự thay đổi cấu rúc của kim loại mối hàn và kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt Chu trình nhiệt hàn của vùng ảnh hưởng nhiệt được xác định thông qua chế độ hàn cho trước Các thông số của chế độ hàn được lựa chọn sao cho đáp ứng những yêu cầu về mặt năng suất hàn, hình dạng mối hàn và cấu trúc cũng như tính chất của kim loại chịu ảnh hưởng của các thông số đó

Những yêu cầu khác nhau đối với tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt và tính chất của liên kết hàn phụ thuộc vào chủng loại im loại cơ bản, loại kết cấu, công nghệ chế tạo và điều kiện vận hành của liên kết hàn

Việc xác định chu trình nhiệt hàn có thể xác định được những giới hạn của chế độ công nghệ hàn sao cho không suy giảm cục bộ tính dẻo trong điều kiện vận hành có va đập, tập trung ứng suất hoặc nhiệt độ thấp

Nhiệt độ giữa các đường hàn (interpass temperature) là nhiệt độ lưu kim loại trong khoảng thời gian giữa hai đường hàn liên tiếp nhau khi hàn nhiều lớp cũng như nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các đường hàn thường nằm trong khoảng giữa giá trị tối đa và giá trị tối thiểu Giá trị tối đa không được phép vượt quá nhiệt độ bắt đầu xuất hiện mactenzit của thép hoặc kim loại mối hàn

1.1.2.4 Công nghệ hàn thép A516 Grade 65 bằng phương pháp hàn TIG

Khi gá lắp trước khi hàn, để đảm bảo độ lớn cần thiết của khe đáy (khe hở hàn), có thể dung đồ gá hoặc hàn đính Khi hàn thép cacbon và thép không gỉ khi gá lắp kết cấu cách phù hợp nhất là chọn phương pháp hàn đính Đối với mối hàn vát cạnh chữ V và hàn nhiều lớp thì mối hàn đính được thực hiện ở mặt mối hàn và được đặt ở lớp thứ nhất Do tốc độ nguội lớn khi hàn đính, nhất là khi chi tiết có chiều dày lớn, có thể xuất hiện nứt, cho nên cần nung chảy hoàn toàn mối hàn đính

Để ngăn ngừa rỗ khí, nứt và các khuyết tật khác, trước khi hàn phải làm sạch

bề mặt khỏi dầu mỡ, gỉ và các chất bẩn khác bám trên bề mặt chi tiết cần hàn trong phạm vi rộng ít nhất 30mm về mỗi phía của mối hàn

Đây là thép cacbon thấp với hàm lượng cacbon nằm trong khoảng 0,20÷0,30% và hàm lượng mangan đến 1,40% có tính hàn tốt nhưng khi hàm lượng một hoặc một vài nguyên tố hợp kim ở ngưỡng trên (nhất là khi hàn với thép không gỉ), có thể xảy ra nứt nguội chân mối hàn Trong trường hợp như vậy có thể giảm bớt tốc độ hàn và cường độ dòng điện, quá trình hàn không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp (như nung nóng sơ bộ, nhiệt luyện sau khi hàn…)

1.2 Công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại bằng phương pháp hàn TIG

1.2.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động phương pháp hàn TIG

Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là khí trơ còn gọi là hàn TIG ( Tungsten Inert gas), hay hàn GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) là quá trình trong đó nguồn nhiệt hồ quang được tạo thành từ sự phóng điện giữa điện cực wonfram không nóng chảy và chi tiết hàn Kim loại điền đầy (dây hàn phụ) được đưa vào hồ quang từ bên ngoài ở dạng dây trần hình 1.6

Khi hàn khí bảo vệ chảy liên tục từ mỏ hàn qua chụp khí vào vùng hồ quang Nhiệt hồ quang làm nung chảy kim loại cơ bản và dây hàn phụ Kim loại nóng chảy tại vũng hàn kết tinh tạo thành mối hàn Khí bảo vệ có thể là argon, helium, hoặc hỗn hợp khí (Ar+He, Ar+CO2) Khí bảo vệ có thể được đưa vào vùng hàn từ một phía bên điện cực hoặc từ cả hai phía

Hàn TIG có thể dùng để hàn nhôm, magiê, thép không gỉ, đồng và hợp kim

đồng, niken, và hợp kim niken, và các loại thép cacbon thấp

- Có thể hàn hầu hết kim loại thông dụng trong công nghiệp

- Có thể hàn kim loại không đồng nhất và hàn đắp

volfram dùng cho hàn TIG như ở bảng 1.5

Bảng 1.5: Thành phần hóa học của các điện cực vônfram [3]

- 0.8 – 1.2 1.7 – 2.2 0.35 – 0.55

0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

Các điện cực vônfram thường được cung cấp với đường kính 0.25 – 6.35 mm, dài 76 – 610 mm, có bề mặt đã được làm sạch hoặc được mài để loại bỏ các tạp chất

bề mặt

Các điện cực vônfram tinh khiết tương đối rẻ, có khả năng dẫn điện không cao, chống nhiễm bẩn không tốt, thường chỉ dùng đối với các ứng dụng hàn thông thường

Các điện cực vônfram có thêm thori (Th), có tính phát xạ điện tử cao hơn, dẫn điện tốt hơn, chống nhiễm bẩn cao hơn, mồi hồ quang tốt hơn và hồ quang ổn định hơn

Các điện cực vônfram có thêm zircon (Zr) có các tính chất trung gian giữa điện cực W và điện cực W-Th Điện cực wolfram được phân loại ở bảng 1.6

Bảng 1.6: Phân loại theo vạch màu trên điện cực hàn TIG [3]

Hình 1.7 Phân loại theo vạch mầu trên điện cực hàn TIG [25]

1.2.4 Cường độ dòng điện khi hàn TIG

Cường độ dòng điện hàn sẽ điều khiển chiều sâu của mối hàn, và hiệu ứng này là tỉ lệ thuận nếu như không muốn nói là hơi có tính chất hàm mũ Dòng điện hàn cũng ảnh hưởng đến điện áp, với điện áp ở một chiều dài hồ quang cố định tăng lên tỉ lệ với dòng điện, điều cần thiết là thay đổi mức điện áp khi cường độ dòng điện được điều chỉnh

Máy hàn TIG có cả loại một chiều và xoay chiều Dòng một chiều sẽ có hai kiểu đấu dây là phân cực thuận và phân cực nghịch Tuy nhiên, phân cực nghịch ít khi dùng trong hàn TIG do kiểu đấu dây này có nhược điểm là hồ quang không ổn định, chiều sâu ngấu kém và chóng mòn điện cực Ưu điểm duy nhất của phương pháp này là tác động làm sạch lớp oxit trên bề mặt vật liệu, có tác dụng tốt khi hàn các kim loại dễ bị oxy hóa như nhôm và magie Tuy nhiên hầu hết các kim loại khác đều không cần đến quá trình này do đó trong hàn TIG chủ yếu là dùng phương pháp phân cực thuận Phân cực thuận là tạo hồ quang ổn định hơn, chiều sâu thấu tốt hơn

so với phân cực nghịch dẫn tới mối hàn ít bị ứng suất và biến dạng hơn [3]

Dòng xoay chiều là sự kết hợp của cả phân cực thuận và phân cực nghịch Do

đó khi ở vào nửa chu kì phân cực nghịch, nó cũng có tác dụng tẩy bỏ lớp oxit trên bề mặt Vì thế khi hàn các kim loại như nhôm, magie, và đồng thanh berili nên ưu tiên

sử dụng dòng AC hơn là dòng DC phân cực nghịch Với các kim loại này, việc tẩy

bỏ oxit bề mặt đóng vai trò rất quan trọng để có thể thu được các mối hàn đẹp và

sạch [3]

Bảng 1.7: Lựa chọn đường kính điện cực và dòng điện hàn [3]

Đường kính điện cực (mm) 1,6 1,6 2,4 2,4 3,2 3,2 Dòng điện hàn (A) 70÷140 70÷140 140÷230 140÷230 225÷350 225÷350 Điện áp hàn (V) 12 12 13 13 16 16 Đường kính dây hàn (mm) 1,6 1,6 1,6 2,4 3,2 3,2 Đường kính mỏ phun (mm) 9,5 9,5 9,5 9,5 12,5 12,5 Khí bảo vệ min (lít) 10 10 10 10 12 12

1.2.5 Điện áp hồ quang

Điện áp được đo giữa điện cực vonfram và vật hàn thường được gọi là điện áp

hồ quang Điện áp hồ quang là một biến phụ thuộc, bị ảnh hưởng mạnh bởi những thông số sau đây:

- Cường độ dòng điện hàn

- Hình dáng của đầu điện cực vonfram

- Khoảng cách giữa điện cực vonfram và vật hàn

- Loại khí bảo vệ

Điện áp hồ quang bị thay đổi do hiệu ứng của những biến số khác, và được sử dụng trong việc mô tả những qui trình hàn chỉ vì nó dễ đo lường Vì những biến số khác như là khí bảo vệ, điện cực, và cường độ dòng điện đã điện cực xác định trước, điện áp hồ quang trở thành một cách để điều khiển chiều dài hồ quang, một biến số quang trọng nhưng khó điều khiển chiều dài hồ quang là quan trọng với phương pháp này vì nó ảnh hưởng đến chiều rộng của vũng hàn; chiều rộng của vũng hàn là

tỉ lệ thuận với chiều dài hồ quang Do đó, trong đa số các công việc hàn những vật không phải dạng tấm mỏng, chiều dài hồ quang mong muốn càng ngắn càng tốt

Tất nhiên, cần nhận thức về khả năng đoản mạch điện cực vào vũng hàn hoặc dây hàn nếu như chiều dài hồ quang là quá ngắn Tuy nhiên, với hàn tự động, sử dụng khí bảo vệ hêli, nguồn điện một chiều điện cực âm, và với một cường độ dòng điện tương đối cao, có thể nhấn chìm đầu điện cực xuống phía dưới bề mặt của tấm

để tạo ra những mối hàn có chiều sâu lớn nhưng hẹp với tốc độ cao

Khi điện áp hồ quang được sử dụng để kiểm soát chiều dài hồ quang trong

những công việc quan trọng, cần phải cẩn thận quan sát những biến số khác có ảnh hưởng đến điện áp hồ quang Trong số đó có các tạp chất trong điện cực và trong khí bảo vệ, tốc độ cấp dây không đúng, sự thay đổi nhiệt đọ của điện cực, và sự mòn đi của điện cực nếu như những thay đổi là đủ lớn để ảnh hưởng tới điện áp hồ quang trong hàn tự động chiều dài hồ quang cần phải được điều chỉnh để khôi phục lại điện

áp mong muốn [3]

1.2.6 Khí bảo vệ

Trong hàn TIG khí bảo về được dùng là khí trơ, hai khí được dùng khá phổ biến nhất hiện nay là argon, nitơ và helium Ar là một khí đơn nguyên tử ( phân tử chỉ chứa một nguyên tử) được trích từ khí quyển bằng phương pháp hóa lỏng không khí và tinh chế đến độ tinh khiết 99.9% Khí này được cung cấp trong các bình áp suất cao hoặc ở dạng lỏng với nhiệt độ dưới -1800C trong các thùng chứa lớn [3]

He cũng là khí một nguyên tử, có trọng lượng riêng khoảng 1/10 so với Ar, được trích từ khí tự nhiên, có nhiều ở một số nước He có nhiệt độ hóa lỏng rất thấp (-272 0C ), do đó thường được chứa trong các bình áp suất cao He có tính dẫn nhiệt cao hơn do đó đòi hỏi điện áp hồ quang lớn hơn so với Ar

Độ tinh khiết của Ar: Các tạp chất trong Ar có thể gây ra các vấn đề khi hàn TIG, Ar tiêu chuẩn phải có độ tinh khiết như được trình bày ở bảng 1.8

Bảng 1.8: Thành phần các chất hóa học trong khí argon [3]

hàn các thùng bia bằng thép không gỉ và các ống, các hợp kim Ni Hỗn hợp 35% H2

có thể dùng cho thép không gỉ với mọi chiều dày, nếu khe hở đáy của đường hàn trong phạm vi 0.25-0.50 mm Không nên dùng nhiều H2, do có thể gây ra rỗ xốp ở mối hàn Việc sử dụng hỗn hợp này chỉ hạn chế cho các hợp kim Ni, Ni-Cu, thép không gỉ

Nitơ đôi khi được đưa vào argon để hàn Cu và các hợp kim Cu, N2 tinh khiết đôi khi được dùng làm khí bảo vệ để hàn thép không gỉ

1.2.7 Kim loại đắp (dây hàn phụ)

Kim loại điền đầy để liên kết nhiều kim loại và hợp kim khác nhau sử dụng với phương pháp hàn hồ quang vônfram trong khí bảo vệ là rất sẵn có Nếu sử dụng kim loại điền đầy cần phải tương tự, mặt dù không cần thiết phải giống hệt kim loại

cơ bản Khi liên kết các kim loại cơ bản không tương tự thì kim loại điền đầy sẽ khác

so với một trong hai kim loại cơ bản

Nhìn chung, thành phần hóa học của kim loại cơ bản được điều chỉnh để tương hợp với cơ tính của kim loại cơ bản trong điều kiện hàn Những kim loại điền đầy như thế được sản xuất với sự kiểm soát về thành phần hóa học, độ tinh khiết, và chất lượng chặt hơn là kim loại cơ bản Các chất khử thường được đưa thêm vào để đảm bảo mối hàn chất lượng tốt Có thể bổ sung thành phần hóa học của một số kim loại điền đầy để cải thiện sự đáp ứng với các xử lý nhiệt sau khi hàn [3]

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong quá trình chế tạo kết cấu hàn, lý tưởng nhất là kim loại cơ bản dùng để hàn có cùng thành phần hóa học và cơ tính Tuy nhiên trong các nhà máy sản xuất, chế tạo, xây dựng và các ngành công nghiệp khác do yêu cầu về chi phí và điều kiện làm việc cho nên cần thiết phải hàn hai vật liệu không giống nhau về thành phần hóa học lẫn cơ tính Thép cacbon và thép không gỉ là một lựa chọn kinh tế hơn so với chế tạo một kết cấu hoàn toàn bằng thép không gỉ

Trên thế giới việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn hai vật liệu thép

cacbon với thép không gỉ rất phổ biến mang lại lợi ích kinh tế to lớn Nhưng ở Việt Nam việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hàn hai vật liệu này còn mang tính chất đơn lẻ và chưa ứng dụng nhiều vào thực tiễn

Dù đã rất cố gắng tìm kiếm các tài liệu từ nhiều nguồn nhưng cho đến nay tác giả vẫn chưa tiếp cận được các nghiên cứu và công bố trong nước về công nghệ hàn hồ quang để tạo liên kết hàn thép cacbon với thép không gỉ Ngoài ra, qua khảo sát thực tế cho thấy các công ty chế tạo hàn cũng đã tiến hành thực hiện các mối hàn hai vật liệu thép cacbon với thép không gỉ cho các kết cấu ít quan trọng và chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và tay nghề của thợ hàn

1.3.2.Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Ở nước ngoài có một số công bố về về các phương pháp hàn hai vật liệu thép cacbon với thép không gỉ như sau:

- Nhóm tác giả Vikas Chauhan và Dr R S Jadoun thuộc trường Đại học Nông nghiệp và Công nghệ Pant, Pantnagar, Ấn Độ trong tài liệu [12] đã nghiên cứu về “Tối ưu hóa tham số của hàn MIG cho thép không gỉ SS-304 và thép cacbon thấp sử dụng phương pháp thiết kế Taguchi” Với nghiên cứu này nhóm tác giả đã đưa ra một số kết luận là phương pháp Taguchi có thể sử dụng để xác định ảnh hưởng của các thông số hàn (dòng điện, điện áp và tốc độ hàn) đến độ bền kéo của mối hàn và hai thông số ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo là điện áp và tốc độ hàn; Ảnh hưởng của các thông số vào độ bền kéo cuối cùng có thể được xếp hạng thứ tự giảm dần như sau điện áp > tốc độ hàn > cường độ dòng điện và Argon được xem là khí bảo vệ hiệu quả, ít văng bắn trong quá trình hàn nhất

- Một nghiên cứu khác của các tác giả Pawan Kumar, Dr.B.K Roy, Nishant của Viện Công nghệ và Quản lý Om, Haryana, Ấn Độ trong tài liệu [13] cũng đã

nghiên cứu về “Tối ưu hóa thông số của hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy

trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) cho thép không gỉ Austenit (AISI 304) và thép cacbon thấp sử dụng công nghệ Taguchi” Với nghiên cứu này nhóm tác giả đã

phân tích ảnh hưởng của 3 thông số hàn là cường độ dòng điện hàn, điện thế hồ quang và lưu lượng khí bảo vệ, kết quả là cường độ dòng điện hàn ảnh hưởng lớn

nhất đến độ cứng của kim loại cơ bản (base metal), khu vực mối hàn (weld area) và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) tiếp theo là điện thế hồ quang và lưu lượng khí bảo

vệ, kết quả này đóng vai trò quan trọng để điều chỉnh các thông số hàn

- Nhóm tác giả K Krishnaprasad, and Raghu V.Prakash trong tài liệu [14] đã nghiên cứu về sự phát triển của vết nứt do mỏi (Fatigue Crack Growth FCG) của mối hàn vật liệu khác nhau giữa thép không gỉ và thép cacbon Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng cặp vật liệu là thép tấm không gỉ SS 316L và thép cacbon IS 2062 Grade A, sử dụng phương pháp hàn TIG và dây hàn phụ là SS309 Với vết nứt được khởi xướng tại khu vực kim loại cơ bản (base metal region), khu vực mối hàn (weld metal region) và vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ (heat affected zones) Kết quả là tốc độ phát triển vết nứt đã được tìm ra để nâng cao ứng suất cho mối hàn và kim loại cơ bản Tốc độ phát triển vết nứt do mỏi tại vùnh ảnh hưởng nhiệt của thép không gỉ là thấp nhất còn trên thép cacbon thì tốc độ phát triển vết nứt nhanh hơn Hơn nữa dải tán xạ của dữ liệu được tìm ra bị thu hẹp, cường độ chống nứt tìm ra tại rất nhiều vị trí khác nhau của mối hàn, cường độ chống nứt được tìm ra có giá trị thấp nhất tại mối hàn và cao nhất tại vùng ảnh hưởng nhiệt

- Nhóm tác giả Wichan Chuaiphan, Somrerk Chandra – ambhom, Satian Nitawach và Banleng Sonil trong tài liệu [15] đã nghiên cứu tính khả thi của hàn hai vật liệu khác nhau giữa thép không gỉ AISI 304 và thép tấm cacbon AISI 1020 với chiều dày 15mm Quá trình hàn được áp dụng là Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW/TIG) và hàn hồ quang tay (SMAW) Kết quả cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn được hàn bởi phương pháp hàn TIG là cấu trúc mạng tinh thể hình lưới ferit trong nền austenit, trong khi cấu trúc mạng tinh thể ferit hình nhánh cây mịn phân bố trong nền austenit đã được tìm thấy trong các mối hàn được hàn bởi quá trình hàn SMAW; Giá trị độ cứng của kim loại mối hàn được hàn bằng hai quá trình này đều tốt hơn so với kim loại cơ bản là thép không gỉ và thép tấm cacbon tương ứng; Kim loại mối hàn được hàn bởi hai quá trình này đã đáp ứng đủ điều kiện về kiểm tra kéo và uốn; Kiểm tra va đập của kim loại mối hàn được hàn bởi phương pháp hàn TIG cao hơn kim loại mối hàn được

hàn bởi quá trình hàn SMAW; Khả năng chống ăn mòn của kim loại mối hàn được hàn bởi phương pháp hàn TIG cao hơn so với mối hàn được hàn bởi quá trình hàn SMAW và kim loại cơ bản thép không gỉ tương ứng Với công trình này nhóm

nghiên cứu đã đưa ra nhận xét hết sức quan trọng là trong khía cạnh cơ tính và tính

chống ăn mòn của mối hàn, phương pháp hàn TIG được coi là một quá trình rất triển vọng có thể được sử dụng cho hàn hai vật liệu khác nhau Đây là một kết luận

rất quan trọng để tác giả kế thừa trong việc chọn quá trình hàn vật liệu khác nhau cho đề tài

1.4 Định hướng nghiên cứu của đề tài

Từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã phân tích, đánh giá trên, một số định hướng nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại từ đó làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn bằng phương pháp

hàn TIG

- Xác định được thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn

phụ để hàn hai vật liệu liệu khác nhau

- Tính chọn được các thông số hàn (cường dòng điện hàn, vận tốc hàn, nhiệt

độ giữa các đường hàn) để đạt năng suất cao

Chương 2

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Luận văn tiến hành nghiên cứu, đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chế

độ hàn khi hàn thép không gỉ austenit và thép các-bon

- Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở chế độ hàn đã xác định giúp đạt được năng suất cao với chi phí hợp lý mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng mối hàn

2.2 Nội dung nghiên cứu đề tài

Kết cấu của luận văn “Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất

hàn khi hàn thép không gỉ với thép các-bon” được thực hiện bao gồm các nội

dung sau:

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại

- Xác định được thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn

phụ để hàn cặp vật liệu liệu thép cacbon và thép không gỉ austenit

- Tính chọn được các thông số hàn (cường độ dòng điện hàn, vận tốc hàn, đường kính que cho phép ứng dụng phương pháp hàn TIG để hàn thép cacbon với

thép không gỉ austenit ở dạng liên kết hàn giáp mối tấm vát cạnh chữ V

- Đưa ra thông số hàn để đạt năng suất cao nhất

- Từ kết quả nghiên cứu của đề tài này góp phần vào quá trình đào tạo, kiểm tra không phá hủy (NDT) và phương pháp phá hủy (DT), ứng dụng và chuyển giao công nghệ hàn hai vật liệu thép cacbon – thép không gỉ nói riêng và công nghệ hàn hai vật liệu nói chung với các thông số để đạt nắng suất cao, giảm chi phí sản

xuất cho các ngành công nghiệp đặc thù như đóng tàu, dầu khí, hóa chất,… phù hợp

từ đó đưa ra chế độ hàn đạt năng suất cao

2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của một số thông số (cường

độ dòng điện, đường kính que hàn bù, vận tốc hàn) đến chất lượng sản phẩm hàn và đạt năng suất cao trong quá trình hàn hai loại vật liệu hàn khác nhau Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm đưa ra quy trình hàn tối ưu để xác định các chế độ hàn hợp

lý đạt năng suất cao

hàn khi hàn thép không gỉ với thép các-bon” được thực hiện bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Thực nghiệm – Đánh giá

- Chương 5: Kết luận và kiến nghị

2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu công nghệ hàn thép cacbon và thép không gỉ bằng phương pháp hàn TIG Đây là liên kết hàn giáp mối vát cạnh chữ V, trên hai loại vật liệu khác nhau về cấu trúc, cơ tính, lý tính và hóa tính

Vật liệu được chọn để thực hiện nghiên cứu trong đề tài là thép tấm cacbon A516 Grade 65 và thép tấm không gỉ austenit A240 316L Đây là hai mác thép được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị

có yêu cầu cao về tính chịu nhiệt và chống mòn [20]

Hình 2.1: Liên kết hàn giáp mối thép cacbon – thép không gỉ 2.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu:

- Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L

- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến chế độ hàn

- Tìm hiểu các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mối hàn: nứt, độ ngấu, độ thấu, lẫn Vôfram, cháy chân

- Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã được xác định (chế độ hàn) để đạt được năng suất cao

- Phương án hàn “giáp mối vát cạnh chữ V hàn hai phía” đã được lựa chọn để thực hiện Đây là phương pháp phổ biến khi hàn các kết cấu tấm, vỏ với ưu điểm là quá trình hàn có thể thực hiện một cách dễ dàng, dễ áp dụng, thẩm mỹ cao và cho phép quản lý chất lượng mối hàn tốt

Hình 2.2 Mối hàn giáp mối vát cạnh chữ V hàn hai phía

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Hiện tại, hàn hai kim loại thép cácbon – thép không gỉ với các vật liệu phổ thông trên thị trường (A516 Grade 65 – A240 316L) mà chế độ hàn chưa được đề cập một cách cụ thể Trong thực tế, thợ hàn thực hiện công việc hàn dựa vào kinh

nghiệm bản thân nên chất lượng hàn không ổn định, năng suất hàn không cao Do vậy, để xác định được chế độ hàn cho năng suất cao, chất lượng đảm bảo và ổn định đáp ứng được tính công nghệ và tính kinh tế tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, cụ thể là:

- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước, từ đó xác định những nội dung cần thiết mà đề tài cần giải quyết đồng thời khảo sát trang thiết bị sẵn có ở trong nước để phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài

- Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chế độ hàn cho phép hàn thép cácbon – thép không (A516 Grade 65 – A240 316L) đạt các yêu cầu về chất lượng, khảo sát các thông số ảnh hưởng đển chế độ hàn để tìm được chế độ hàn cho năng suất cao