Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ÐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-90 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Trần Thế San S K C0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-90 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Trần Thế San TP HCM, Tháng 12 năm 2013 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-90 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Trần Thế San Thành viên đề tài: TP HCM, Tháng 12 năm 2013 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - Mã số: T2013 - 90 - Chủ nhiệm: GVC ThS Trần Thế San - Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013 Mục tiêu: - Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho mơn học Cơng Nghệ Kim Loại Tính sáng tạo: - Đƣa vào môn học Công Nghệ Kim Loại để sinh viên tự nghiên cứu Kết nghiên cứu: - Hoàn thiện mục tiêu đề ra, xây dựng đƣợc thí nghiệm Sản phẩm: - Bản thiết kế cụm thiết bị hàn hồ quang dƣới thuốc Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Có khả áp dụng mơn Cơng nghệ Kim loại số trƣờng khác tuỳ điều kiện cụ thể Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) i Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU .iii DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv MỞ ĐẦU 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ngồi nƣớc Tính cấp thiết : Mục tiêu: Cách tiếp cận: Phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu : CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan thép hợp kim thấp độ bền cao 1.2 Giới thiệu số phƣơng pháp hàn 20 CHƢƠNG XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA, PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN 46 2.1 Mục đích yêu cầu 46 2.2 Cơ sở lý thuyết 46 2.3 Trình tự thí nghiệm 49 2.4 Phân tích đánh giá kết 51 KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 ii Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn ΓΟCT Bảng 1.2 Thành phần hóa học số mác thép theo tiêu chuẩn TCVN3104-79 Bảng 1.3 Một số mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga Bảng 3.4 thành phần hóa học mác thép A558 theo tiêu chuẩn ASTM Bảng 1.5: Thành phần hóa học tính số mác thép HSLA theo SAE Bảng 1.6: Thành phần hóa học số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C Bảng 1.7: Cơ tính mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C Bảng 1.8: Thành phần hóa học số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573 -89 Bảng 1.9: Cơ tính số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573 -89 Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa số mác thép ASTM A633 -90 Bảng 3.11: Cơ tính số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A633-90 Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) mác thép theo JIS G319 -88 Bảng 1.13: Cơ tính số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319 -88 Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) mác thép theo JIS G3128 -87 Bảng 1.15: Thành phần hóa học số mác thép theo tiêu chuẩn GB 1591- 94 Bảng 1.16: Cơ tính số mác thép theo tiêu chuẩn GB1591- 94 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tổ chức tế vi HSLA-100 trạng thái bản vùng hàn Hình 1.2 Tổ chức tế vi HSLA-100 vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Hình 1.3 Tổ chức tế vi thép HSLA a.As-rolled; b tempered at 200°C; c tempered at 400°C; d tempered at 600°C; e tempered at 700°C Hình 1.4 Tổ chức tế vi thép HSLA-340 ram Hình 1.5 Tổ chức tế vi thép HSLA cán nguội, iii Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT SMAW : Shielded metal arc welding GTAW : Gas–tungsten arc welding Trang iv Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài nƣớc Phá hủy kết cấu hàn đƣợc quan tâm từ lâu Đánh giá độ bền độ ổn định kết cấu hàn định kỳ sau thời gian sử dụng yêu cầu quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu sử dụng kết cấu hàn Thực tế Việt Nam, Công ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Cơng ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rƣợu, bia nƣớc giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện tuabin khí,… q trình phá hủy chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn điều đáng lo ngại Tính cấp thiết : - Xây dựng thí nghiệm phục vụ cho cơng tác đào tạo Bộ mơn Cơng nghệ Kim loại, Khoa Cơ Khí Máy, Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM tƣơng lai gần Mục tiêu: - Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại Cách tiếp cận: - Tìm hiểu nhu cầu thực tế tính khả thi đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế - Nghiên cứu tài liệu - Thực nghiệm Đối tƣợng nghiên cứu: - Kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Phƣơng pháp phân tích kim loại học mối hàn Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại Nội dung nghiên cứu : - Khái niệm chung thép hợp kim thấp độ bền cao - Giới thiệu số phƣơng pháp hàn Trang Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 - Sơ lƣợc tổ chức kim loại mối hàn vùng phụ cận - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại Trang Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan thép hợp kim thấp độ bền cao 1.1.1 Khái niệm chung Thép hợp kim thấp có độ bền cao (Thép HSLA: High Strength Low Alloy Steel) nhóm thép hợp kim có hàm lƣợng cacbon thấp hàm lƣợng nhỏ nguyên tố hợp kim chẳng hạn nhƣ: Mangan, Silic, nhôm, vanadi, titan, molipden, đồng, … Do đặt điểm nhƣ nên chúng có c ác đặc tính chất nhƣ: độ bền độ dai va đập cao, có tính hàn tốt Độ bền cao đƣợc sinh chúng đƣợc thêm vào lƣợng nhỏ nguyên tố hợp kim có hàm lƣợng nhỏ 0.1% Giới hạn chảy chúng lớn Nhờ nhóm thép có thơng số u cầu độ dẻo, độ dai, tính hàn tính chống ăn mịn tốt Hàm lƣợng thành phần nguyên tố hợp kim đƣợc điều chình tùy vào yêu cầu làm việc loại thép Thép HSLA đƣợc chia thành sáu loại sau: - Thép hợp kim thấp Ferite – Pearlite: có chứa bổ sung nhỏ (bé 0,1%) cacbite mạnh hay carbonitride hình thành nhƣ Nb, V, Ti, để tăng cƣờng độ bền, làm mịn hạt - Thép cán Pearlite: bao gồm thép C - Mn nhƣng bổ sung lƣợng nhỏ nguyên tố hợp kim khác để tăng cƣờng độ bền, dẻo dai tính hàn - Thép Ferrite hình kim: (cacbon thấp bainite) cacbon thấp (ít 0,05% C) độ bền cao, (690 MPa) khả hàn tính dẻo dai tốt - Thép song pha:trong có cấu trúc tinh thể mactenxit phân tán ma trận Ferite tạo hợp chất có độ dẻo độ bền kéo cao - Thép tạo hình: bổ sung thêm nguyên tố hợp kim Ca, Zr, Ti để cải thiện tính dẻo dai thép 1.1.2 Thành phần hóa học Cơ tính theo tiên chuẩn số Quốc gia  Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam TCVN 1659 – 75 quy đinh ̣ phƣơng pháp biể u t hị mác thép Ký hiệu mác thép HSLA gồ m hai phầ n : chƣ̃ số đƣ́ng đầ u biể u thi ̣ ̀ m lƣơ ̣ng cacbon trung biǹ h theo phầ n va ̣n và ký hiê ̣u chỉ nguyên tố hơ ̣p kim đƣ́ng sau thƣờng là Mn , Cr, Si, Ni,… Nế u hàm lƣợng hợp kim khoảng 1% sau ngun tớ hơ ̣p kim khơng có chƣ̃ sớ , nế u vƣơ ̣t q 1.5% thêm số Ví dụ: thép 12MnSi – thép chứa cacbon trung bình 0.12%, hàm lƣợng Mn khoảng 1% hàm lƣợng Si khoảng 1%  Tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ) Tiêu chuẩ n Viê ̣t N am biể u thi ma (tiêu chuẩ n ̣ ́ c thé p gầ n giố ng tiêu chuẩ n của Nga ΓΟCT) Sau là bảng biể u thi tên ̣ nguyên tố hơ ̣p kim tƣơng đƣơng giƣ̃a tiêu chuẩ n TCVN và tiêu chuẩ n ΓΟCT (Trang 130 Sổ tay mác thép giới) Trang Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 - Nhiệt độ hồ quang hàn plasma cao lên tới 15000-20000 C , không nhƣ hồ quang hàn tự có dạng hình trải rộng chi tiết, hồ quang hàn plasma có dạng hình trụ, có khả xuyên sâu vào bể hàn, nên mép hàn vật dày không cần vát mép lớn - Bằng hàn hồ quang plasma kết nối kim loại đen màu khác nhau: Nhôm hợp kim titan, thép cacbon thấp thép không gỉ, đồng, đồng thau, niken vật liệu không đồng dạng với chúng Phƣơng pháp hàn Laser Laser beam welding (LBW) dạng đặc biệt thuộc nhóm hàn nóng chảy, kim loại chỗ nối đƣợc nung chảy tia laze tập trung công suất lớn máy phát lƣợng tử quang học tạo LBW thƣờng dùng để nối chi tiết lắp chỗ khó chạm tới, hàn chi tiết nhỏ, hàn vật liệu có độ chảy cao (nhƣ gốm) Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động laze sử dụng hồng ngọc 1: 2: 3: 4: 5: 6: Bộ cung Buồng cấp phản điều xạ Đèn Thanh Gƣơng Gƣơng khiển ánh phát hồng phản phản xạ xạ toàn bán điện sáng xung ngọc phần phần Trang 40 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 7: Thấu kính hội tụ 8: Chi tiết 9: Bàn Gá 10: Tế bào quang điện Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hàn Laser Nguyên tắc cấu tạo máy hàn máy cắt laze gần nhƣ nhau, nhiên máy hàn đƣợc bổ sung thêm cấp khí bảo vệ, nhƣ hệ thống cấp kim loại phụ tùy thuộc theo yêu cầu mối hàn + Máy hàn laze cấu tạo bao gồm tinh thể hồng ngọc hình trụ Hồng ngọc hợp kim nhơm oxit ( AlO2 ) có chứa hợp chất tích cực Crom Hồng ngọc đƣợc sử dụng thƣờng sản phẩm nhân tạo + Hai đầu tinh thể hồng ngọc gƣơng phản xạ gƣơng phản xạ toàn phần, gƣơng phản xạ bán tồn phần có lỗ nhỏ cho việc phát tia laze + Tinh thể hồng ngọc đƣợc bao quang nằm lõi đèn xoắn Xenon Đèn Xenon đóng vai trị nguồn cấp xung Cả hệ thống đèn lõi hồng ngọc đƣợc chứa buồng phản xạ ánh sáng nhằm phản xạ tối đa ánh sáng vào tinh thể hồng ngọc Đèn Xenon có tác dụng chuyển hóa lƣợng điện thành lƣợng ánh sáng + Một hệ thống làm mát sử dụng khí chất lỏng để bảo vệ hồng ngọc không bị phá hỏng nhiệt sinh + Khi đèn xenon phát sáng toàn lƣợng sẽ tập trung vào hồng ngọc Ion Cr+3 chứa hồng ngọc bị kích thích lên mức lƣợng cao, tụt xuống chúng sẽ phát lƣợng tử + Hai hệ thống gƣơng phản xạ lƣợng tử làm chúng lại nhiều lần hồng ngọc kích thích Ion Cr +3 khác để phóng chùm tia điện tử khác + Chùm tia lƣợng tử sau đƣợc tập trung sẽ đƣợc phát qua gƣơng phản xạ bán phần Chùm tia sẽ đƣợc tập trung lại qua hệ thống thấu kính tập trung lên chi tiết gia công chuyển thành nhiệt + Nhiệt lƣợng làm vật liệu hàn tan chảy diện tích nhỏ khí nguộ i liên kết hàn trở lên đồng + Hàn laze tùy vật liệu, tính chất mối hàn yêu cầu mà yêu cầu khí bảo vệ nhƣ kim loại bù Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hàn Laser Ƣu điểm hàn laze + Có thể hàn laze cho mối hàn khác chất liệu + Tia laze kiểm sốt đƣợc độ xác cao, điểm hàn đặt đƣợc xác + Tốc độ nung nóng nhƣ làm nguội cao, vùng ảnh hƣởng nhiệt nhỏ hàn laze tốt cho vị trí hàn có liên kết với phận dễ ảnh hƣởng nhiệt + Quy trình hàn thu đƣợc mối hàn thƣờng phải làm mối hàn Trang 41 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 Nhƣợc điểm hàn laze + Tốc độ hàn chậm ( từ 25->250mm/phút ) + Tốc độ nguội nhanh gây vấn đề với hàn thép cacbon cao + Giá thành thiết bị cao so với phƣơng pháp hàn khác Ứng dụng hàn laze Hàn laze đƣợc sử dụng công nghiệp điện tử, hàn thiết bị y tế, đồ trang sức, hệ thống tự động sản xuất ô tô Phƣơng pháp hàn hồ quang tự động dƣới lớp thuốc Nguyên lý hàn hồ quang lớp thuốc: Dƣới tác dụng nhiệt hồ quang, mép hàn, dây hàn phần thuốc hàn sát hồ quang bị nóng chảy tạo thành vũng hàn Dây hàn đƣợc đẩy vào vũng hàn cấu đặc biệt với tốc độ phù hợp với tốc độ cháy Theo độ chuyển dịch nguồn nhiệt (hồ quang) mà kim loại vũng hàn sẽ nguội kết tinh tạo thành mối hàn Trên mặt vũng hàn phần mối hàn đơng đặc hình thành lớp xỉ có tác dụng tham gia vào trình luyện kim hàn, bảo vệ giữ nhiệt cho mối hàn, sẽ tách khỏi mối hàn sau hàn Phần thuốc hàn chƣa bị nóng chảy sử dụng lại Đặc điểm hàn hồ quang lớp thuốc: Nhiệt lƣợng hồ quang tập trung nhiệt độ cao, cho phép hàn với tốc độ lớn Vì phƣơng pháp hàn hàn chi tiết có chiều dày lớn mà khơng cần phải vát mép Chất lƣợng liên kết hàn cao bảo vệ tốt kim loại mối hàn khỏi tác dụng oxi nitơ khơng khí xung quanh Kim loại mối hàn đồng thành phần hóa học Lớp thuốc xỉ hàn làm liên kết nguội chậm nên bị thiên tích Mối hàn có hình dạng tốt, đặn, bị khuyết tật nhƣ không ngấu, rỗ khí, nứt bắn tóe Giảm tiêu hao vật liệu (dây hàn) Hồ quang đƣợc bao bọc kín thuốc hàn nên không làm hại mắt da thợ hàn Lƣợng khói (khí độc) sinh q trình hàn so với hàn hồ quang tay Dễ khí hóa tự động hóa q trình hàn Phạm vi ứng dụng hàn hồ quang lớp thuốc: Các kết cấu thép dạng vỏ kích thƣớc lớn, dầm thép có độ chiều cao, ống thép có đƣờng kính lớn, bồn, bể chứa, bình chịu áp lực cơng nghiệp đóng tàu v.v Chủ yếu đƣợc ứng dụng để hàn mối hàn vị trí hàn mối hàn có chiều dài lớn có quỹ đạo khơng phức tạp Hàn đƣợc chi tiết có chiều dày từ vài mm hàng trăm mm 1.3 Tổ chức kim loại học mối hàn vùng phụ cận : a Tổ chức kim loại mối hàn Khi hàn điện nóng chảy, mối hàn tạo nên kim loại nóng chảy hàn điện cực khơng nóng chảy khơng dùng que hàn phụ kim loại điện cực kim loại vật hàn tạo nên dùng que hàn nóng chảy hay điện cực khơng nóng chảy có dùng que hàn phụ Vì thành phần tổ chức kim loại mối hàn khác với thành phần tổ chức kim loại kim loại điện cực Nhiệt nguồn nhiệt hàn làm kim loại que hàn phần kim loại vùng hàn bị nóng chảy tạo thành vũng hàn chảy lỏng đồng thời tác dụng lên vùng xung quanh Trang 42 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 làm thay đổi tổ chức làm thay đổi tính Vùng hàn đƣợc gọi vùng ảnh hƣởng nhiệt Vùng vũng hàn: Vũng hàn tích nhỏ đƣợc bao bọc kim loại trạng thái rắn xung quanh nên nguội nhanh Các hạt tinh thể thƣờng có dạng hình kim dạng nhánh phức tạp, phát triển theo phƣơng thẳng góc với mặt đẳng nhiệt Càng vào phía tâm mối hàn, hạt tinh thể lớn có xu chuyển từ dạng hình nhánh sang dạng hình cầu, tâm vũng hàn nguội chậm (hình ) Trong vũng hàn lẫn tạp chất bọt khí · Hình 2.5: Tổ chức kim loại vũng hàn Quá trình kết tinh kim loại lỏng vũng hàn diễn qua hai giai đoạn : + Kết tinh lần : kim loại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc + Kết tinh lần hai : kim loại trạng thái đặc nhƣng có chuyển biến tổ chức Nghiên cứu tổ chức t hai tổ chức thực mối hàn, có ý nghĩa lớn việc xác định mối quan hệ phụ thuộc tính với thành phần hóa học mối hàn kim loại bản, tác dụng nhiệt trình hàn - Với thép bon thấp thép hợp kim thấp vật liệu có tính hàn tốt, hàn phƣơng pháp mà nhận đƣợc mối hàn có chất lƣợng tốt, song chất lƣợng có khác tùy thuộc vào điều kiện hàn - Hàn que thuốc bọc mỏng, tổ chức kim loại mối hàn xấu cácbon cháy nhiều hạt kim loại có dạng hình trụ, tổ chức ( +p) phân bố không mối hàn - Hàn que thuốc bọc dầy, tổ chức trƣờng hợp tƣơng đối tốt Các hạt có dạng hình trụ, song lại nhỏ peclit phân bố đều, tính tốt - Hàn dƣới lớp thuốc, tổ chức kim loại trƣờng hợp tốt, hạt peclit có dạng hình trụ nằm sâu tiết diện mối hàn, tổ chức tƣơng đối đồng đều, tính tốt b.Tổ chức vùng ảnh hƣởng nhiệt Vùng ảnh hƣởng nhiệt vùng kim loại nằm sát kim loại mối hàn, thay đổi tổ chức tính chất tác dụng nguồn nhiệt hàn Có thể chia vùng ảnh hƣởng nhiệt thành sáu vùng sau : a) Vùng nóng chảy khơng hồn tồn (viền chảy) : có kích thƣớc nhỏ, vùng chuyển tiếp kim loại vũng hàn kim loại bản, đƣợc giới hạn đƣờng đẳng nhiệt lỏng đặc Vùng có tổ chức ơstenit pha lỏng, kích thƣớc hạt kim loại sau hàn mịn có tính cao Trang 43 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 b) Vùng nhiệt : kim loại bị nung nóng từ 1100 0C đến xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy Vùng xảy q trình kết tinh lại (biến đổi thù hình) Tổ chức hạt ôstenit thô to, tính (độ dai va đập độ dẻo thấp, dễ bị gẫy) Có thể nói vùng yếu liên kết hàn c) Vùng thường hóa : Kim loại bị nung nóng từ 900 0C đến 1100 0C Tổ chức gồm hạt ferit nhỏ peclit, vùng có tính tổng hợp cao (đơi cao kim loại bản) d) Vùng kết tinh lại khơng hồn tồn : kim loại bị nung nóng từ 720 C  900 0C Kim loại có kết tinh lại phần, tổ chức ôstenit ferit Hai dạng hạt khơng đồng đều, ferit hạt to cịn ơstenit hạt nhỏ tính vùng Hình 2.6: Vùng ảnh hƣởng nhiệt e) Vùng kết tinh lại hồn tồn (vùng hóa già) : kim loại bị nung nóng từ 500 0C700 0C Kim loại qua biến dạng dẻo đƣợc kết tinh lại hoàn toàn, tổ chức kim loại đồng đều, tính tốt f) Vùng giịn xanh : kim loại bị nung nóng từ 100 0C  500 0C Tính chất kim loại vùng nói chung khơng có thay đổi, nhƣng nhiệt độ 400 0C  500 0C ơxy nitơ có khả khuếch tán vào, độ dẻo giảm Kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt phụ thuộc vào phƣơng pháp hàn, chế độ hàn, thành phần hóa học nhƣ tính chất lý nhiệt kim loại Cơng suất hồ quang lửa hàn khí lớn kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt tăng Ngƣợc lại, tăng vận tốc hàn (giữ nguyên công suất nhiệt) kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt sẽ giảm Vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, nhiệt dung cao kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt giảm (nhiệt dung lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt độ kim loại lên 0C) Trang 44 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 Các yêu tố ảnh hƣởng quy trình hàn chuẩn: 1) Loại que hàn xác: Nó quan trọng việc lựa chọn thích hợp que hàn cho cơng việc 2) Kích thƣớc que hàn hợp lý: Lựa chọn kích thƣớc que hàn bao gồm loại que hàn, vị trí hàn, chuẩn bị mối ghép, dịng điện hàn, chiều dày vật liệu bản, kỹ ngƣời thợ hàn 3) Dòng điện hợp lý: Nếu dòng điện cao, que hàn nấu chảy nhanh vũng hàn rộng, khơng khó kiểm sốt Nếu dịng điện q thấp, khơng đủ nhiệt nấu chảy kim loại vũng hàn trở nên bé, sẽ chồng lên không 4) Chiều dài hồ quang hợp lý: Nếu hồ quang dài, kim loại nóng chảy ngắt khỏi que hàn dạng hạt cầu lớn mà dung lắc từ bên qua bên tạo cho vũng hàn rộng, bắn toé đƣờng hàn không với độ ngấu kim loại Nó cho kết rỗ khí, đặc biệt loại que hàn hydrogen thấp Nếu hồ quang ngắn, không đủ nhiệt cho mồi hồ quang dẫn tới việc nấu chảy kim loại không đủ que hàn dính vào vật hàn 5) Tốc độ di chuyển hợp lý: Khi tốc độ di chuyển nhanh, vũng hàn đông kết nhanh Lẫn tạp chất khơng có khả loại bỏ Đƣờng hàn nhỏ tạo điểm gợn Khi tốc độ hàn chậm kim loại chồng lên nhau, đƣờng hàn cao rộng với phần gợn sóng thẳng Dịng điện xác, chiều dài hồ quang xác (hoặc điện áp hồ quang) tốc độ di chuyển xác tất có liên quan đến nhiệt cung cấp 6) Góc độ que hàn hợp lý: Góc độ que hàn quan trọng, cách đặc biệt hàn góc hàn rãnh sâu Khi thi cơng mối hàn góc que hàn phải đƣợc giữ vững nhƣ chia đơi góc vng góc tới đƣờng trục mối hàn Khi cháy cạnh xuất đứng, hạ thấp góc độ que hàn hƣớng hồ quang gần chi tiết đứng 7) Kỹ thuật thao tác hợp lý: Các kiểu thao tác khác đƣợc sử dụng cho loại khác que hàn, thiết kế mối hàn khác nhau, vị trí hàn khác Sự nhận biết kiểu khác địi hỏi đƣợc học chƣơng trình đào tạo hàn Trang 45 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 CHƢƠNG XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA, PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN 2.1 Mục đích yêu cầu 2.1.1 Kiến thức cần nắm vững - Cấu trúc phản ứng khí – kim loại, xỉ - kim loại - Cấu trúc vi mô mối hàn - Vùng bị ảnh hƣởng nhiệt 2.1.2 Kỹ thực hiện - Chọn lấy mẫu nghiên cứu - Chuẩn bị mẫu để quan sát cấu trúc pha - Quan sát cấu trúc pha kính hiển vi kim loại học 2.2 Cơ sở lý thuyết II.1 Các phản ứng xảy hàn Kim loại hàn đƣợc thiết kế để tƣơng hợp với tính thành phần hóa học kim loại nền, đó, tƣơng hợp tính chất học yếu tố chính, cịn thành phần hóa học mối hàn khác với thành phần kim loại Cơ tính đƣợc xác định từ cấu trúc kim loại mối hàn, kết trục tiếp tƣợng lần lƣợt xảy hàn, gồm phản ứng khí – kim loại, xỉ - kim loại, kết tinh, phản ứng trạng thái rắn sau kết tinh Nói chung, dịng nhiệt vùng hàn có tính định hƣớng cao, truyền nhiệt nhanh cho kim loại nguồn xung quanh, đó, mối hàn thƣờng có cấu trúc gồm tinh thể hình trụ hình kim song song theo chiều tỏa nhiệt, Hình 1.Khi hàn rãnh sâu, thấy tinh thể phát triển từ hai phía đối diện gặp mối hàn Vùng thƣờng kết tinh cuối cùng, chứa nhiều tạp chất, rỗ xốp, có tính dịn cao Hình Sơ đồ cấu trúc tinh thể hình trụ mối hàn Các phản ứng khí – kim loại Khí O2 hịa tan đến 0.2% thép nóng chảy, với khả hòa tan giảm theo nhiệt độ, tạo thành FeO dịn Khí cịn kết hợp với C thép để tạo thành Trang 46 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 CO, thoát mối hàn nguội dần, nhƣng phần khơng kịp ra, tạo thành rỗ xốp mối hàn N2 có phản ứng tƣơng tự, khí hịa tan mối hàn nóng chảy, ngồi kim loại nguội dần tùy theo tốc độ nguội Fe tác dụng hóa học với N 2, tạo thành nitrides Fe tích tụ mối hàn, làm tăng tính dịn Hơi nƣớc chất khí làm giảm rõ rệt chất lƣợng mối hàn Hơi nƣớc lọt vào hồ q uang ẩm bề mặt thép, chất trợ dung hàn, khí bảo vệ Hơi nƣớc phân hủy nhiệt hồ quang, tạo thành O2 H2 Khí H2 mối hàn sẽ làm tăng tính dịn, dù gây hình thành vết nứt vùng bị ảnh hƣởng nhiệt mối ghép hàn thép hợp kim thấp thép C cao Các phản ứng xỉ - kim loại Xỉ có vai trị quan trọng quy trình hàn có chất trợ dung bảo vệ Về ngun tắc, xỉ đƣợc thiết kế chủ yếu để loại bỏ sản phẩm khử oy phi kim loại khỏi vùng kim loại hàn nóng chảy Một phần xỉ tích tụ mối hàn dạng tạp chất phi kim loại Chức quan trọng xỉ hàn kiểm soát hàm lƣợng P S mối hàn Phản ứng xỉ - kim loại tạp chất phi kim loại chúng tạo ra, dẫn đến khuyết tật mối hàn, đƣợc gọi tƣợng dịn nóng (hoặc rạn nứt nóng) Hiện tƣợng thƣờng xảy vào cuối giai đoạn kết tinh kim loại hàn Vùng chất lỏng nhỏ chƣa kết tinh sẽ chịu ứng suất từ vùng kết tinh xung quanh, dễ dàn g tạo vết nứt Do vết nứt phát sinh khoảng nhiệt độ gần nhiệt độ kết tinh, chúng đƣợc gọi vết nứt nóng Các phản ứng trạng thái rắn Loại phản ứng xảy mối hàn thép làm nguội từ nhiệt độ A3 Mối hàn đƣợc làm nguội tƣơng đối nhanh, trừ hàm lƣợng C thấp, sản phẩm chuyển biến pha, chẳng hạn martensite, có độ cứng cao sẽ xuất thay cho hỗn hợp ferrite – carbides Nếu có H2 khí hồ quang, kim loại mối hàn dễ bị rạn nứt Rạn nứt xảy mối hàn nguội đến nhiệt độ thấp, chí dƣới 150 C, đƣợc gọi tƣợng dòn nguội, dịn hydro Hiện tƣợng thƣờng khơng xảy kim loại mối hàn, chủ yếu vùng ảnh hƣởng nhiệt kim loại Trang 47 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 II.2 Cấu trúc vi mơ mối hàn Nói chung, thành phần cấu trúc mối hàn thép C thép hợp kim thấp độ bền cao sau hàn thƣờng bao gồm: - Ferrite trƣớc tích (tẩm thực nhẹ) - Tinh thể hình kích thƣớc trung bình, chủ yếu ferrite tƣơng tự bainite (tẩm thực nhẹ) - Ferrite cầu (tẩm thực đủ mạnh) - Các cấu trúc khá, carbides, martensite, tạp chất Các cấu trúc nêu đƣợc phân tích đánh giá thơng qua quan sát kính hiển vi kim loại học, đƣợc gọi phân tích kim tƣơng mối hàn Sơ đồ đánh giá cấu trúc vi mô mối hàn thép C thép hợp kim thấp đƣợc nêu Bảng Bảng Sơ đồ đánh giá định tính thành phần cấu trúc vi mơ kim loại mối hàn II.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt Vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) phần kim loại kim loại sát đƣờng nóng chảy, khơng bị nóng chảy, nhƣng tính chất học cấu trúc vi mơ bị ảnh hƣởng Trang 48 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 thay đổi nhiệt trong trình hàn HAZ chịu tác động chu kỳ nhiệt phức tạp, khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ nóng chảy thép nhiệt độ thƣờng, có nhiều biến đổi cấu trúc suốt chu kỳ nhiệt Cấu trúc vùng ảnh hưởng nhiệt Vùng HAZ thép carbon đƣợc chia thành khu vực riêng biệt tùy theo khoảng nhiệt độ tƣơng ứng giản đồ trạng thái Fe - C, Hình Hình Quan hệ nhiệt độ vùng HAZ hàn thép carbon giản đồ trạng thái Fe – C Khu vực 1, tiếp xúc với đƣờng nóng chảy, đƣợc nung nóng đến khoảng nhiệt độ austanite, có kích thƣớc hạt lớn Đây thƣờng vùng có độ cứng cao, tốc độ nguội đủ lớn để xảy chuyển biến martensite, nguy hiểm, dễ xảy rạn nứt có tính dịn cao Khu vực 2, đƣợc nung nóng cao A3, vùng nhiệt độ hoàn toàn austenite, có kích thƣớc hạt tƣơng đối nhỏ, độ cứng khơng cao, có khả chuyển biến thành martensite làm nguội Khu vực 3, đƣợc nung nóng A1 A3, cấu trúc gồm hỗn hợp austenite ferrite, nguội xuất martensite Khu vực thƣờng khơng có độ cứng cao, nhƣng bị dịn có martensite Khu vực 4, nhiệt độ nung nóng dƣới A1, hầu nhƣ khơng có chuyển biến pha, nhƣng nhiệt từ q trình hàn làm cho khu vực trở nên tƣơng đối mềm 2.3 Trình tự thí nghiệm 2.3.1 Điều kiện ban đầu: Trang 49 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 - Thép SAE 942X theo tiêu chuẩn SAE (Mỹ) 2.3.2 Mẫu: - Kích thƣớc mối hàn: e s g c b Hình 2.1: Chuẩn bị mối hàn Kích thƣớc (mm) Giá trị tính tốn S cb e g FH (mm2) mH (kg/m) 10 212 20 0,510,,55 55,8 0,435   270  30 2.3.3 Chế độ hàn: - Bản vẽ mẫu hàn : - Que hàn: Chọn loại que hàn có  3.2 : E 512 (TCVN 3223- 2000) - Máy hàn : Chọn máy hãng Lincoln : Weldanpower 175p / Weldanpower 175D ( Petrol) KA 1030 (diesel) KA1031 - Cƣờng độ dòng điện hàn : Ih = 126 (A) - Điện áp hàn : U = 20  26 V - Thao tác hàn : Khi hàn góc nghiêng que hàn so với mặt vật hàn thƣờng từ 75 đến 85 0, que hàn đƣợc dịch chuyển dọc trục để trì chiều dài cột hồ quang, đồng thời chuyển động ngang mối hàn để tạo bề rộng mối hàn di chuyển dọc đƣờng hàn theo tốc độ hàn cần thiết Trong trình hàn, mối hàn có bề rộng bé, que hàn đƣợc dịch chuyển dọc đƣờng hàn, khơng có chuyển động ngang Khi mối hàn có bề rộng lớn, dịch chuyển Trang 50 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 que hàn thực theo nhiều cách để đảm bảo chiều rộng mối hàn 10mm Thông thƣờng chuyển động que hàn theo đƣờng zigzag 2.3.4 Các kiểm tra kim loại học Các kiểm tra thƣờng dùng kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, đánh giá độ bền mối hàn, xác định kiểu loại, số lƣợng, phân bố tạp chất phi kim loại mối hàn, cấu trúc vi mô vùng nóng chảy, HAZ, dạng rạn nứt phân bố chúng Các mẫu lấy từ mối hàn kiểm tra cách cắt theo tiết diện, vng góc với đƣờng hàn Từ mẫu sẽ chuẩn bị hai loại mẫu kiểm tra, vĩ mô vi mô Mẫu vĩ mô, mối hàn thép C thép hợp kim thấp Có hai cách chuẩn bị mẫu Thứ nhất, khơng cần mài đánh bóng bề mặt tiết diện, cần tẩm thực cách đƣa mẫu vào dung dịch 50% HCl + H2 O, nấu sôi 30 phút Thứ hai, mài đánh bóng mẫu, sau đánh bóng vải mềm thấm ƣớt dung dịch gồm phần (NH4)2SO4 + hai phần H2O Sau tẩm thực, mẫu đƣợc rửa lau khô, ngâm cồn, C 2H5OH, làm khơ khí nén Mẫu vi mô, đƣợc chuẩn bị tẩm thực tƣơng tự quy trình áp dụng cho thép, quan sát mẫu kính hiển vi kim loại học Mẫu đƣợc mài đánh bóng để đạt độ bóng bề mặt cao, tẩm thực 4% HNO3 cồn, C2 H5OH, 4% acid picric cồn, C2H5 OH, rửa lại nƣớc sạch, sau sấy khơ 2.4 Phân tích đánh giá kết Trang 51 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ Đề tài “nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng thí nghiệm kiểm tra phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại” nghiên cứu thành công tổng quan thép hợp kim thấp độ bền cao, tiến hành hàn kiểm tra kim loại học mối hàn hợp kim thấp độ bền cao thành cơng Trên sở xây dựng thí nghiệm kiểm tra phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại để phục vụ cho việc học sinh viên chƣơng trình đào tạo tới Tuy nhiên kinh phí sở vật chất có hạn để tài dừng lại việc xây dựng mà chƣa tổ chức thực việc thực tập để đánh giá tính khả thi thực Với tảng đó, mơn dần triển khai điều chỉnh lại cho phù hợp với sở vật chất Trang 52 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, Tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [2] Công nghệ hàn hồ quang, Trần Đức Tuấn – Trần Ngọc Dân, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2003 [3] Trần Hữu Tƣờng – Đinh Ngọc Mễ - Nguyễn Văn Xiêm - Lê Viết Ngƣu – Vũ Công Luận, Kim loại học - Luyện kim – Đúc, Đại học Trung học chuyên nghiệp – 1971 [4] Một số trang website Trang 53 S K L 0 ... nghiên cứu: - Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại Nội dung nghiên cứu. .. KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Mã số: T2013-90... lai gần Mục tiêu: - Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao - Xây dựng thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại Cách tiếp cận: