Tính hàn của vật liệu là khả năng của kim loại và hợp kim cho phép hình thành mối hàn bằng các công nghệ hàn thông thƣờng dƣới một điều kiện hàn nhất định mà vẫn đạt đƣợc các đ c tính cần thiết bảo đảm chất lƣợng và độ tin cậy của liên kết hàn đồng thời phải thoả mãn điều kiện làm việc.
Hầu hết các loại thép đều có thể hàn đƣợc, tuy nhiên không phải loại thép nào cũng có thể hàn đạt cùng một chất lƣợng yêu cầu trong cùng một điều kiện hàn với độ dễ nhƣ nhau. Một loại thép đƣợc coi là có tính hàn tốt nếu quá trình hàn đƣợc thực hiện không quá khó ho c không cần những thủ tục hỗ trợ đ c biệt và đắt tiền, đồng thời mối hàn phải đảm bảo các đ c tính ngang bằng với kim loại cơ bản. Tính hàn của mỗi loại thép thay đổi tuỳ thuộc vào chủng loại, cơ tính và thành phần hoá học của chúng.
4.3. Các nhân tố ảnh hƣởng đến tính hàn của thépCacbon 4.3.1. Ảnh hƣởng của các bon
Carbonlànguyêntốhợpkimchínhcủahầuhếtcáclọaithép.Tănghàmlƣợngcarbon sẽlàmtăngtínhbiếncứngcủavậtliệukhibịtácđộngnhiệt.Khixétđếntínhhànchúngtaxétđế nkhảnănggiảmthiểucácnguycơxuấthiệncácvếtnứtdobiếncứngởvùngảnhhƣởngnhiệt.
38
4.3.2. Ảnh hƣởng của năng lƣợng hàn
Cácthôngsốhàncũnggâyracáctácđộngđếnchấtlƣợnghàn,nghĩalàchúngcócácản hhƣởngnhấtđịnh đếntínhhàncủathépvàkếtcấu.
Công thức tính năng lƣợng hàn nhƣ sau: . . 60 1000 I E Q V Trong đó:
Q: Năng lƣợng hàn cho một đơn vị chiều dài (KJ/mm) E: Điện áp hồ quang (V)
I: Cƣờng độ dòng điện hàn (A) V: Vận tốc hàn (mm/phút)
4.4. Tính hàn của thép hợp kim thấp
Thép hợp kim là loại thép ngoài sắt và các bon ra ngƣời ta cố ý đƣa thêm vào các nguyên tố hợp kim có lợi (Mangan, Silic, Niken, Crôm, Molipđen, Titan, Nhôm… ) với số lƣợng nhất định và đủ lớn để thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hoá… mà chủ yếu là cơ tính) của chúng.
Ngày nay rất nhiều loại thép hợp kim thông dụng đã đƣợc sử dụng vào các ngành công nghiệp nhƣ xây dựng, giao thông, cơ khí… chúng không chỉ đáp ứng đƣợc các đ c tính đ c biệt phù hợp với điều kiện làm việc mà còn góp phần đáng kể vào việc giảm trọng lƣợng kết cấu, tăng độ tin cậy và tuổi thọ của kết cấu hàn đồng thời hạ giá thành sản phẩm.
Thép hợp kim cũng có thể đƣợc chia thành 3 loại: thép hợp kim thấp, thép hợp kim trung bình và thép hợp kim cao căn cứ vào chủng loại và tổng lƣợng hợp kim của chúng.Thép hợp kim thấp: loại có tổng lƣợng nguyên tố hợp kim< 2,5% (thƣờng là thép peclit).Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lƣợng nguyên tố hợp kim từ 2,5 đến 10% (thƣờng là thép họ từ peclit đến mactenxit).Thép hợp kim cao: loại có tổng lƣợng nguyên tố hợp kim>10% (thƣờng là họ mactenxit hay austenit).
Đối với thép hợp kim tính hàn của vật liệu tỉ lệ nghịch với khả năng tạo biến cứng và độ cững lớn nhất có thể đạt đƣợc của chúng. Ví dụ, một loại thép có khả
39
năng tạo biến cứng và độ cứng cao thì có tính hàn xấu và có xu hƣớng xuất hiện hiện tƣợng nứt khi hàn.
Độ cứng lớn nhất có thể đạt đƣợc đối với mỗi loại thép và tính hàn của chúng có liên quan ch t chẽ với hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim mà cụ thế là hàm lƣợng các bon tƣơng đƣơng. Giá trị này đƣợc tính toán dựa vào hàm lƣợng các bon và các nguyên tố hợp kim theo công thức sau:
Ctđ % % % % % % % 6 5 15 Mn Cr Mn V Ni Cu C Khi Ctd< Ctđththì vật liệu có tính hàn
Trong đó: Ctđth: là hàm lƣợng các bon tƣơng đƣơng tới hạn
Ctđth=0.45 khi chiều dày tấm hàn t < 25mm
Ctđth= 0.40 khi chiều dày tấm hàn t < 35mm
Trong khi đó, độ cứng lớn nhất của mỗi loại thép chỉ có thể đạt đƣợc khi chúng đƣợc làm nguội từ nhiệt độ tạo austenite (750-9500C) với tốc độ nguội lớn đủ để tạo cấu trúc mactensite. Khi thêm các nguyên tố hợp kim nhƣ Mangan, crôm và molipđen sẽ làm giảm quá trình hình thành cấu trúc mactensit trong khi làm nguội qua nhiệt độ biến đổi pha. Hiện tƣợng này sẽ ngăn ch n việc hình thành cấu trúc peclite mềm hơn mactensite rất nhiều, đồng thời tạo điều kiện để quá trình chuyến pha từ austenite sang mactensite xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn (500-2000). Loại thép nào có tốc độ chuyển pha thấp nhất sẽ có khả năng biến cứng cao nhất và ngƣợc lại. Loại vật liệu có khả năng biến cứng cao có thể đạt đƣợc độ cứng lớn nhất khi làm nguội ngoài không khí trừ khi chúng có độ dày quá lớn. Loại thép có khả năng biến cứng thấp bắt buộc phải tôi thì mới đạt đƣợc độ cứng lớn nhất.
Hiện tại có rất nhiều loại thép hợp kim thấp khác nhau đƣợc sản xuất và đƣa vào chế tạo các chi tiết máy, tính hàn của chúng phụ thuộc vào thành phần hoá học của chúng. Một số hợp kim đƣợc dùng trong công nghiệp làm lạnh, chúng có độ dai rất tốt khi nhiệt độ làm việc dƣới 00
40
Thép hợp kim thấp cũng đƣợc dùng cho các thiết bị là kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao nhƣ nồi hơi, tháp hoá dầu, chế biến hoá chất… Những loại thép này đƣợc đƣa vào thành phần các nguyên tố hợp kim nhƣ Cr và Mo khiến chúng trở nên rất bền vững, có cơ tính tốt và ổn định ở nhiệt độ cao lên tới 6500
C. Một số loại thép có khả năng chống ăn mòn ngoài khí quyển bằng cách đƣa vào thành phần một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim nhƣ Cu, P, Cr… Khi tiến hành áp dụng phƣơng pháp hàn đối với loại thép này chúng ta phải chú ý chọn vật liệu hàn sao cho kim loại của mối hàn cũng có khả năng chịu đƣợc ăn mòn của môi trƣờng. Đồng thời tính hàn của thép này thƣờng là xấu, dễ xuất hiện hiện tƣợng nứt nóng do vậy phải lựa chọn và áp dụng một chế độ hàn hợp lý.
Thành phần hóa học của thép đƣợc xác định trên máy phân tích thành phần vật liệu.
4.5. Các thông số đánh giá tính hàn của vật liệu: 4.5.1. Thông số nhạy cảm nứt nóng : 4.5.1. Thông số nhạy cảm nứt nóng :
Đối với thép các bon và thép hợp kim thấp để đánh giá nứt nóng thiên tích ở vùng ảnh hƣởng nhiệt ta dùng công thức sau :
25 100 1000. 3 Si Ni S P HCS C Mn Cr Mo V HCS: Hệ số nhạy cảm nứt nóng
Nếu HCS > 4→ Thép dễ bị nứt nóng. Vì vậy khi hàn cần phải chú ý : + Chế tạo phôi có chất lƣợng cao, ít tạp chất.
+ Chọn hệ số hình dạng bên ngoài mối hàn thích hợp, sao cho kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn càng ít càng tốt.
+ Dùng các biện pháp giảm thiểu ứng suất tác động lên liên kết trong quá trình kết tinh.
+Dùng điện cực hàn có chứa nhiều Mn, ít C (Mn có tác dụng khử S – tác nhân chính gây nứt nóng)
41
4.5.2. Thông số nhạy cảm nứt nguội :
Ta đánh giá theo tiêu chuẩn độ cứng vùng ảnh hƣởng nhiệt :
ax 90 1050 47 75 30 31
m
HV C Si Mn Ni Cr
HVmax: Tiêu chuẩn độ cứng của vùng ảnh hƣởng nhiệt
→ Thép dễ bị nứt nguội.Vì vậy khi hàn cần phải chú ý hạn chế tối đa các yếu tố ảnh hƣởng đến vấn đề nứt nguội. Dựa vào 4 yếu tố hình thành nứt nguội, ta có thể đề ra các biện pháp nhƣ sau :
Kiểm soát nồng độ Hydro :
+ Sử dụng vật liệu hàn thích hợp.
+ Bề m t vật hàn cần phải đƣợc làm sạch dầu mỡ, hơi ẩm… + Sấy kỹ vật liệu hàn ở 300 – 350oC.
+ Sử dụng công nghệ hàn thích hợp : Hàn có khí bảo vệ, có thuốc hàn bảo vệ…
+ Nung nóng sơ bộ, nung nóng bổ sung sau khi hàn. + Sử dụng kim loại đắp từ thép Austenit.
- Kiểm soát tổ chức tế vi :
+ Giảm tốc độ nguội thông qua sử dụng năng lƣợng đƣờng nâng cao. + Sử dụng chế độ đắp nhiều lớp đảm bảo cho vùng ảnh hƣởng nhiệt của lớp trƣớc đƣợc nhiệt hàn của lớp sau nhiệt luyện (ram).
+ Tăng nhiệt độ nung nóng sơ bộ / nhiệt độ giữa các đƣờng hàn nhằm giảm tốc độ nguội trong vùng nhiệt độ phân hủy austenit.
- Kiểm soát độ cứng vững : Sử dụng các biện pháp để giảm thiểu độ cứng vững của kết cấu hàn…
- Kiểm soát nhiệt độ : Nung nóng sơ bộ và nung nóng bổ sung.
4.6. Chọn vật liệu hàn
Nguyên tắc để lựa chọn vật liệu hàn đắp cho thép hợp kim thấp cơ bản dựa trên các yếu tố sau:
42
- Độ bền và độ dãn dài yêu cầu của mối hàn đắp
- Độ dai va đập yêu cầu
- Độ nhạy cảm xuất hiện vết nứt
- Tính hàn của vật liệu cơ bản
4.6.1. Chọn vật liệu hàn căn cứ vào độ cứng của mối hàn đắp
Nhƣ ta đã biết độ cứng là thƣớc đo sức bền của vật liệu khi bị va chạm hay bị trầy xƣớc và đƣợc đo bằng các đơn vị là HRC, HB, HV. Độ cứng là một chỉ tiêu quan trọng trong cơ khí, liên quan ch t chẽ đến độ bền của vật liệu.
Để thực hiện đƣợc điều này ta phải chọn loại que hàn đắp cứng ho c dây hàn lõi thuốc sao cho mối hàn đắp đảm bảo đạt ngay độ cứng, độ chịu mài mòn (45 – 50)HRC sau khi hàn.
4.6.2. Chọn vật liệu hàn căn cứ vào độ bền và độ dãn dài yêu cầu của mối hàn đắp đắp
Độ bền và độ dãn dài tƣơng đối là hai chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng đối với các loại thép dùng để chế tạo các chi tiết trong chế tạo máy, đó chính là các thông số chính làm cơ sở cho việc tính toán và chọn vật liệu cho việc chế tạo các chi tiết máy.
Hai thông số chính phản ánh độ bền của mỗi loại vật liệu đó là độ bền kéo
b và giới hạn chảy ch.
Độ bền là thông số đánh giá mức độ làm việc, khả năng chịu tải trọng của mỗi loại vật liệu. Với mỗi điều kiện làm việc khác nhau, mức độ tải trọng khác nhau, sẽ tiến hành chọn loại vật liệu có độ bền phù hợp nhằm đáp ứng đƣợc tuổi thọ, độ tin cậy và hệ số an toàn của kết cấu.
Thép hợp kim thấp cƣờng độ cao có độ bền rất cao đ c biệt là giới hạn chảy cũng cao. Thƣờng thƣờng tỷ lệ giữa giới hạn chảy và giới hạn bền (ch/b) tăng lên cùng với sự tăng lên của giới hạn bền. Do vậy ta phải chọn sao cho vật liệu hàn có cơ tính bảo đảm sau khi hàn mối hàn có giới hạn bền và giới hạn chảy lớn hơn ho c tƣơng đƣơng với kim loại cơ bản.
43
Độ dãn dài tƣơng đối cũng là một tiêu chuẩn cần đƣợc quan tâm, nếu độ dãn dài không đạt tiêu chuẩn cho phép thì rất dễ xuất hiện hiện tƣợng nứt sau khi hoàn tất quá trình hàn. Do vậy độ dãn dài tƣơng đối cũng cần phải đƣợc quan tâm sao cho càng cao càng tốt. Thƣờng thƣờng đồ dãn dài tƣơng đối tiêu chuẩn của các loại thép trong khoảng từ 18 – 26%.
Để thực hiện đƣợc điều này thông thƣờng ngƣời ta chọn vật liệu hàn có cơ tính cao hơn vật liệu cơ bản để nhằm đảm bảo cơ tính làm việc trong trƣờng hợp mối hàn có khuyết tật, giảm tiết diện m t cắt chịu lực ho c mối hàn bị giảm cơ tính trong quá trình hàn.
Hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim của vật liệu hàn cũng đƣợc chọn cao hơn kim loại cơ bản vì trong quá trình hàn dƣới tác động của hồ quang các nguyên tố hợp kim sẽ bị oxy hoá và do đó hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim trong mối hàn sẽ thấp hơn so với kim loại cơ bản.
4.6.3. Chọn vật liệu hàn căn cứ vào độ dai va đập
Độ dai va đập là một thông số dùng để phản ánh các đ c tính chống lại sự phá huỷ dòn và khả năng hấp thụ năng lƣợng riêng của các mẫu thép nói chung.
Một vài yếu tố ảnh hƣởng tới độ dai va đập của thép các bon thƣờng và thép hợp kim thấp cƣờng độ cao đó chính là: thành phần hoá học của thép, nhiệt luyện, cấu trúc kim loại, độ hạt kết tinh, nhiệt độ làm việc, nhiệt độ hoá già, vùng ảnh hƣởng nhiệt. Đ c biêt độ dai va đập của các loại thép giảm mạnh khi chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp, lúc này rất dễ xuất hiện hiện tƣợng phá huỷ dòn của kết cấu.
Trong giới hạn nghiên cứu về độ dai va đập của kim loại cơ bản để chọn vật liệu hàn phù hợp, ta sẽ đi sâu nghiên cứu sự ảnh hƣởng của các yếu tố sau đến độ dai va đập.
Thành phần hoá học của vật liệu
Các nguyên tố hợp kim có ảnh hƣởng trực tiếp đến độ dai va đập của các loại thép và khả năng giữ đƣợc nó ở nhiệt độ thấp.
44
Độ dai va đập của các loại thép thƣờng thƣờng đƣợc nâng cao khi giảm hàm lƣợng các bon và tăng hàm lƣợng mangan.
Ni, Al và Ti cũng làm tăng độ dai va đập của vật liệu, đ c biệt là Ni có thể giữ đƣợc độ dai va đập của thép ở nhiệt độ thấp.
Hàm lƣợng Si <2% cũng làm giảm độ dai va đập. P, S, C làm giảm độ dai va đập
Cu và Cr có hàm lƣợng >0.5% cũng làm giảm độ dai va đập O2 và N2 cũng làm giảm độ dai va đập
Nhiệt luyện và độ dai va đập
Độ dai va đập của các loại thép, mà đ c biệt là thép hợp kim có thể tăng lên nhờ các biện pháp nhiệt luyện.
Thép đƣợc thƣờng hóa có độ dai va đập tốt hơn nhiều so với thép cán.
Tôi và ram cao thép các bon thấp với cấu trúc mactenxits cho ta loại thép có độ dai va đập rất tốt.
Tuy vậy một số thép sẽ bị giảm độ dai va đập, bị dòn khi áp dụng phƣơng pháp nhiệt luyện mối hàn (PWHT) sau khi hàn.
Kích thước hạt kết tinh
Thông thƣờng độ hạt kết tinh càng nhỏ thì cho độ dai va đập càng tốt.
Nếu hoàn tất quá trình cán thép ở nhiệt độ thấp, thép sẽ có cấu trúc hạt ferite nhỏ mịnvà làm tăng độ dai va đập của thép. Ho c có hể cho thêm một lƣợng nhỏ Al ho c Ti ta cũng đạt đƣợc kết quả tƣơng tự.
Từ những yếu tố chính đã đƣợc đề cập ở trên, căn cứ vào đó ta có thể xác định đƣợc tƣơng đối chính xác độ dai va đập và khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp của kim loại cơ bản cũng nhƣ của vật liệu hàn.
Những kết cấu hàn của thép hợp kim cƣờng độ cao thƣờng hay có sự tập trung ứng suất đồng thời độ dai tại vùng ảnh hƣởng nhiệt giảm do sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể, do vậy rất dễ xuất hiện hiện tƣờng phá huỷ dòn, đ c biệt là đối với những chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp.
45
Vì những lý do trên nên khi chọn vật liệu hàn cho các chi tiết bằng thép hợp kim cƣờng độ cao, phải chọn vật liệu hàn có độ dai va đập cao hơn vật liệu thép cơ bản sao cho sau khi hàn độ dai va đập tại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt vẫn đảm bảo tƣơng đƣơng với vật liệu cơ bản và đáp ứng đƣợc các yêu cầu của điều kiện làm việc.
4.6.4. Chọn vật liệu hàn căn cứ vào độ nhậy xuất hiện vết nứt của vật liệu cơ bản. bản.
Nguyên nhân gây ra vết nứt đối với kim loại liên kết hàn có rất nhiều yếu tố, song có 3 nguyên nhân chính cần phải đánh giá cụ thể đó là:
Lƣợng khí hyđrô trong mối hàn
Thay đổi cơ tính tại vùng ảnh hƣởng nhiệt Hiện tƣợng tập trung ứng suất dƣ sau khi hàn Ảnh hƣởng của sự xâm nhập khí hyđrô
Với các kim loại cơ bản thƣờng cấu trúc mạng tinh thể đều là một trong ba dạng bền vững nhƣ sau:
- Khối lập phƣơng diện tâm
- Khối lập phƣơng thể tâm
- Khối lăng trụ lục giác xếp ch t
Tuy vậy hầu hết các loại vật liệu trong chế tạo máy là hợp kim, các nguyên tử của các nguyên tố hợp kim này xâm nhập vào mạng tinh thể của kim loại cơ bản tạo thành mạng tinh thể của các hợp kim ở hai dạng sau:
- Mạng tinh thể thay thế: các nguyên tử của nguyên tố hợp kim thay thế các nguyên tử của kim loại cơ bản tại các nút của lƣới tinh thể. Ví dụ của dạng này đó là hợp kim vàng – bạc; đồng – niken…
- Mạng tinh thể xen kẽ: khi các nguyên tử của nguyên tố hợp kim nhỏ hơn nguyên tử kim loại cơ bản, chúng có thể nằm xen kẽ tại khoảng trống giữa các nguyên tử kim loại cơ bản mà không cần chiếm chỗ tại các nút lƣới. Một lƣợng nhỏ các bon, nitơ, hyđrô có thể là các nguyên tố hợp kim nằm xen kẽ trong mạng tinh thể sắt và các loại kim loại khác.
46
Với sự phân tích nhƣ trên ta thấy rằng các nguyên tử khí hyđrô rất dễ xâm nhập vào mạng tinh thể của các nguyên tố hợp kim vì chúng có kích thƣớc nhỏ nhất so với các nguyên tố hoá học khác. Khi xâm nhập với một lƣợng lớn thì các nguyên tử hyđrô sẽ chuyển động vô cùng hỗn loạn và có thể phá vỡ cấu trúc mạng tinh thể, dẫn đến sự xuất hiện vết nứt trong quá trình sau kết tinh khi hàn.
Do vậy, một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tƣợng nứt đối với