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 thép hợp kim cƣờng độ cao khi hàn đó là do sự xâm nhập của khí hyđrô gây nên, đó là các vết nứt nguội nhƣ nứt chân mối hàn, nứt ngang mối hàn, nứt dƣới vũng hàn… Do vậy khi hàn ta chọn vật liệu hàn sao cho có ít nhất lƣợng khí hiđrô xâm nhập vào mối hàn từ vật liệu hàn, lúc này kim loại hàn sẽ có độ nhậy cảm xuất hiện vết nứt thấp hơn.
Để giải quyết vấn đề này, khi chọn vật liệu hàn cần chú ý chọn loại que hàn thép hydrôgen. Đối với hàn tự động khí hyđrô ít nhất. Đồng thời phải tuân thủ các quy tắc về sấy và bảo quản vật liệu hàn, làm sạch bề m t chi tiết trƣớc khi hàn… Nếu có thể ta nên chọn các phƣơng pháp hàn sinh ra lƣợng khí hyđrô thấp nhƣ hàn trong khí bảo vệ CO2, Ar, He…
Ảnh hưởng của hiện tượng thay đổi cơ tính tại vùng ảnh hưởng nhiệt
Một nguyên nhân cơ bản nữa dẫn đến sự xuất hiện vết nứt đó chính là sự thay đổi cơ tính của vùng ảnh hƣởng nhiệt. Kim loại có thành phần hơn hợp kim càng cao thì càng dễ xuất hiện cấu trúc mactensit tại vùng thớ hạt thô, nhƣ vậy càng dễ xuất hiện vết nứt nguội tại vùng ảnh hƣởng nhiệt.
Việc xuất hiện cấu trúc mactensit tại vùng ảnh hƣởng nhiệt phụ thuộc rất lớn vào thành phần hoá học của kim loại cơ bản, đồng thời nó cũng phụ thuộc vào tốc độ nguội của vùng hàn sau khi hàn.
Do vậy khi hàn các loại thép hợp kim, ngoài việc chọn chế độ hàn hợp lý, khống chế lƣợng nhiệt cung cấp, khống chế tốc độ nguội… ta cần chọn vật liệu hàn sao cho có ít nhất có thể các nguyên tố hợp kim làm tăng mạnh tính thấm tôi nhƣ molipđen, vonfram, các bon, vanađi… đồng thời tăng bền bằng các nguyên tố khác nhƣ niken, crôm, mangan.
47
4.6.5. Chọn vật liệu hàn căn cứ vào tính hàn của vật liệu cơ bản
Thép hợp kim cƣờng độ cao thƣờng rất hay xuất hiện hiện tƣợng tập trung ứng suất do có những khuyết tật xuất hiện trong quá trình hàn và thƣờng là có tính hàn kém. Do vậy khi chọn vật liệu hàn nhất thiết phải có khả năng chống lại sự xuất hiện của các khuyết tật hàn nhƣ: nứt, rỗ, khí, ngậm xỉ, cháy chân mối hàn… và đ c biệt phải tạo nên một mối hàn ít tạp chất có độ sạch cao.
Những yếu tố liên quan và dùng để đánh giá tính hàn của kim loại hàn đó là nứt nóng, nứt nguội, rỗ khí, ngậm xỉ và sự tạo dáng của mối hàn. Căn cứ vào các yếu tố trên để ta đánh giá tính hàn của vật liệu tốt hay xấu, và đó là cơ sở để chọn vật liệu hàn cho phù hợp.
Để đánh giá một cách tƣơng đối chính xác tính hàn của mỗi vật liệu, có thể tiến hành các phƣơng pháp kiểm tra tính hàn của vật liệu nhƣ sau:
Tính hàn đó là một khái niệm đánh giá về chất lƣợng của vật liệu, nó chịu ảnh hƣởng của rất nhiều các thông số quan trọng liên quan đến chế tạo và điều kiện làm việc. Có rất nhiều các biến số ảnh hƣởng trong quá trình thiết kế, chế tạo lắp ghép của các kết cấu thép trong thực tiễn. Do vậy không thể có một phƣơng pháp kiểm tra riêng biệt ho c hỗn hợp nào có thể diễn tả chính xác tính hàn của các loại vật liệu. Với giới hạn nhƣ vậy, các biện pháp kiểm tính hàn chỉ có thể cung cấp cho chúng ta các thông số có giá trị về một tính nào đó của kim loại và hợp kim. Tuy nhiên các thông số đó chỉ có nghĩa nhƣ là các phép kiểm tra trong phòng thí nghiệm và mang tính chất thông báo. Để kiểm tra tính hàn của vật liệu khi hàn đắp thƣờng dùng các phƣơng pháp thử chuẩn sau:
Đó là đo độ cứng lớn nhất tại vùng ảnh hƣởng nhiệt của lớp hàn đắp. Cách đơn giản nhất để đánh giá tính hàn của vật liệu là tiến hành đo độ cứng lớn nhất tại vùng ảnh hƣởng nhiệt. Giá trị độ cứng càng cao thì tính hàn ở vật liệu đó càng kém. Bằng phƣơng pháp thực nghiệm ngƣời ta đã xác định đƣợc rằng, nếu độ cứng vùng ảnh hƣởng nhiệt không vƣợt quá 350HV thì hiện tƣợng nứt hầu nhƣ không xảy ra. Nếu độ cứng HV>350 thì liên kết hàn sẽ rất dễ xuất hiện vết nứt, do đó phải xác định đƣợc quy trình công nghệ và chế độ gia công nhiệt phù hợp
48
Đây là một biện pháp kiểm tra theo kiểu mô phỏng, nó có thể cung cấp cho chúng ta các thông tin rất quan trọng có liên quan tới các đ c tính cơ học tại vùng ảnh hƣởng nhiệt. Đó cũng là yếu tố liên quan đến độ bàm dính của lớp đắp.
4.7.Sự hình thành và phân bố ứng suất khi hàn đắp 4.7.1.Khái niệm chung
Ứng suất dƣ và biến dạng hàn có ảnh hƣởng lớn tới khả năng làm việc của kết cấu. Nó là nguyên nhân gây nên hiện tƣợng cong vênh, sai lệch về hình dáng, kích thƣớc theo thiết kế và tăng nguy cơ phá huỷ của kết cấu hàn. Khi xuất hiện ứng suất dƣ và biến dạng đi kèm thì sẽ gây ra hiện tƣợng phá huỷ kết cấu dƣới tác dụng của một tải trọng thấp hơn so với tính toán. Đ c biệt, ứng suất dƣ có thể gây nên hiện tƣợng tập trung ứng suất cục bộ rất lớn tại vùng hàn và có độ dai va đập thấp, do vậy rất dễ xuất hiện vết nứt dòn và nó dễ dàng phát triển dƣới tác động của tải trọng va đập. Thêm vào đó, ứng suất dƣ còn góp phần gây nên hiện tƣợng phá huỷ mỏi và ăn mòn.
4.7.2. Ảnh hƣởng của ứng suất dƣ đến chất lƣợng hàn đắp bề mặt trụ .
Kết quả nghiên cứu và phân tích nhiều năm của nhiều công trình sử dụng kết cấu hàn đã chỉ ra rằng: ảnh hƣởng của ứng suất dƣ lên bất kỳ chi tiết ho c kết cấu