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 nào trong quá trình khai thác đƣợc xác định theo các yếu tố sau:
- Đ c tính trạng thái của ứng suất dƣ.
- Độ dẻo của kim loại vào thời điểm chịu tải.
- Phƣơng pháp tạo tải trọng và đ c tính tác động của tải trọng.
- Dạng kết cấu và trạng thái bề m t sản phẩm tại những vùng có ứng xuất các bề m t trục khi hàn phục hồi sẽ làm giảm khả năng làm việc và chịu tải trọng của chúng. Thêm vào đó, sự tập trung ứng suất trong liên kết hàn dƣới tác dụng của tải trọng cùng với ứng suất dƣ sẽ có ảnh hƣởng rất lớn đến độ bền của kết cấu hàn.
Ứng suất dƣ ban đầu sẽ không ảnh hƣởng nhiều đến độ bền của kết cấu hàn nếu kim loại cơ bản có độ dẻo đủ lớn. Nhƣ vậy khi xét về ảnh hƣởng của quá trình
49
hàn lên độ bền của kết cấu hàn ta không chỉ quan tâm đến ứng suất dƣ sinh ra trong quá trình hàn mà cần xem xét biến dạng tổng hợp của chúng bao gồm biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. M t khác, khi tồn tại ứng suất dƣ thì độ dẻo của kim loại cùng giảm.
Ở những liên kết hàn ,khi mà ứng suất dƣ tuy không đủ để phá vỡ các liên kết, song tính dẻo của kim loại đã giảm rất nhiều, đôi khi chỉ cần tác động một lực rất nhỏ thì cũng có thể xảy ra hiện tƣợng phá huỷ dòn. Đó chính là hiện tƣợng phá huỷ đột ngột của các chi tiết sau khi hàn đắp. Trong những trƣờng hợp nhƣ vậy, nguyên nhân chính của sự phá huỷ dòn của kết cấu chính là sự xuất hiện của các vết nứt ở vùng xuất hiện cấu trúc mactenxits do ảnh hƣởng nhiệt. Khả năng xuất hiện phá huỷ dòn càng tăng lên trong khi kết cấu hàn có sự tập trung ứng suất dƣ và lƣợng khí hyđrô tồn tại trong kim loại mối hàn có giá trị lớn.
Một hiện tƣợng phá huỷ đột ngột khác sẽ xảy ra khi kim loại sau khi hàn bị giảm tính dẻo, khi đó dƣới tác động của tải trọng bên ngoài nội ứng suất sẽ tăng lên, khi ứng suất đạt tới giá trị giới hạn chảy thì không thể xảy ra hiện tƣợng biến dạng dẻo, vì thế ứng suất sẽ tiếp tục tăng và khi vƣợt quá giới hạn bền thìi chi tiết bị phá huỷ đột ngột.
Chất lƣợng bề m t của chi tiết hàn cũng ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng phá huỷ của kết cấu. Các khuyết tật sinh ra trong quá trình hàn nhƣ rỗ, ngậm xỉ, và đ c biệt là vết nứt tế vi ở lớp bên ngoài và lộ ra trên bề m t hàn sẽ làm tăng đáng kể khả năng gây phá huỷ kết cấu mà đ c biệt là phá huỷ mỏi đối với các chi tiết làm việc dƣới điều kiện tại trọng động.
Nhƣ vậy, ảnh hƣởng của ứng suất dƣ đến tuổi thọ và chất lƣợng của chi tiết là rất lớn, do vậy trong qúa trình hàn phục hồi bề m t galê cần nghiên cứu kỹ sự phân bố và giá trị của trƣờng ứng suất dƣ, và đó là cơ sở để khi thực hiện các công việc về hàn có thể đƣa ra các giải pháp phù hợp với việc lựa chọn các chế độ công nghệ và quy trình hàn để làm sao giảm đƣợc tối đa sự ảnh hƣởng của ứng suất dƣ và biến dạng tới chất lƣợng kết cấu.
50
4.7.3. Công nghệ xử lý nhiệt trƣớc và sau khi hàn
Trong quá trình thực hiện các công việc hàn đắp bề m t các chi tiết bằng thép hợp kim, việc nung nóng các kết cấu trƣớc khi hàn là rất cần thiết. Đối với một số loại thép và chi tiết đắp, việc xử lý nhiệt sau khi hàn lại là việc cần thiết nhằm mục đích làm giảm các loại ứng suất bên trong kết cấu hàn. Đối với một vài kết cấu ho c vật liệu đ c biệt nào đó, đôi khi cần phải cung cấp nhiệt bổ xung giữa các lớp hàn để nhằm mục đích duy trì nhiệt độ mối hàn luôn đạt đƣợc một giá trị yêu cầu. Việc áp dụng chế độ gia nhiệt nhƣ thế nào sẽ có ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng và tuổi thọ mối hàn ho c toàn bộ kết cấu hàn.
4.7.3.1. Nhiệt độ nung nóng trƣớc
Mục đích của nguyên công nung nóng trước
Nung nóng trƣớc thƣờng đƣợc áp fụng khi hàn các loại thép hợp kim, đ c biệt là trong các công việc hàn phục hồi, nhằm các mục đích nhƣ sau:
- Giảm và khống chế đƣợc tốc độ nguội
- Giảm sự biến cứng của kim loại mối hàn cũng nhƣ vùng ảnh hƣởng nhiệt
- Loại trừ hiện tƣợng nứt do khí hyđrô xâm nhập
- Duy trì nhiệt độ hàn yêu cầu cho các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao.
Nung nóng trước cho b m t trụ
Khi hàn bề m t hình trụ, một vấn đề rất đƣợc quan tâm và đóng một vai trò quan trò quan trọng quyết định chất lƣợng của mối hàn đó là tốc độ nguội. Ta có phƣơng trình tính toán tốc độ nguội nhƣ sau
0 2 ( c ) n k T T V Q Trong đó:
Vn : Tốc độ nguội tại đƣờng tâm mối hàn, 0C/s k : Độ dẫn nhiệt của kim loại, J/mm.s.0C
T0 : Nhiệt độ ban đầu của vật hàn, 0C
51
Xuất phát từ công thức tính tốc độ nguội ta nhận thấy rằng, nếu tăng nhiệt độ ban đầu T0 của vật hàn thì sẽ giảm đƣợc tốc độ nguội. Đối với mỗi loại thép hợp kim, với mỗi thành phần hoá học khác nhau, sẽ có một tốc độ nguội tới hạn thì cấu trúc mactenxit biến cứng sẽ có thể xuất hiện và phát triển tại vùng ảnh hƣởng nhiệt, đồng thời sẽ tăng khả năng xuất hiện vết nứt dƣới tác động của ứng suất dƣ và sự xâm nhập của khí hyđrô. Vậy vấn đề đ t ra là làm sao khống chế đƣợc tốc độ nguội ở mức độ an toàn cho mối hàn. Biện pháp hiệu quả nhất để đạt đƣợc mục đích này là tăng nhiệt đô ban đầu T0 của vật hàn tới một giá trị nào đó mà với nhiệt độ ấy tốc độ nguội thấp hơn tốc độ nguội tới hạn. Thƣờng sau tính toán, nhiệt độ T0 có giá trị lớn hơn nhiệt độ môi trƣờng, do vậy cần phải nung nóng trƣớc chi tiết hàn trƣớc khi thực hiện các công việc về hàn. Nguyên công gia nhiệt trƣớc thƣờng đƣợc áp dụng cho các loại thép hợp kim, nhằm làm giảm tốc độ nguội, ngăn ch n sự xuất hiện của tổ chức mactenxit và sự biến cứng của mối hàn.
Việc giảm tốc độ nguội còn có một tác dụng khác, khi tốc độ nguội giảm ở dải nhiệt độ dƣới 2000C sẽ có nhiều thời gian hơn để khí hyđrô thâm nhập trong mối hàn có điều kiện thoát ra ngoài, vì vậy sẽ ngăn ch n đƣợc hiện tƣợng nứt nguội. Quá trình nung nóng trƣớc đó sẽ góp phần làm sạch bề m t chi tiết khỏi bị ẩm ƣớt, hơi nƣớc. Tuy vậy đây không phải là mục tiêu chính của nguyên công gia nhiệt trƣớc.
Đối với bề m t trục, do khả năng hấp thụ nhiệt lƣợng của chúng rất lớn, do vậy cấu trúc vùng ảnh hƣởng nhiệt và kim loại hàn sau khi nguội có thể là cấu trúc macenxit nếu không đƣợc nung nóng trƣớc ở nhiệt độ cần thiết. Vậy vấn đề cần đ t ra là căn cứ vào khả năng truyền nhiệt của vật liệu cũng nhƣ hình dạng của chi tiết, phải xác định đƣợc tổng nhiệt lƣợng phải cung cấp cho vật hàn để khống chế đƣợc tốc độ nguội theo yêu cầu.
Tổng nhiệt lƣợng yêu cầu cung cấp cho kết cấu hàn thƣờng phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ kích thƣớc và hình dạng hình học chi tiết hàn, thành phần hoá học của chúng, nhiệt lƣợng cung cáp của nguồn hàn và nguồn gia nhiệt trƣớc. Tuy vậy, không có một phƣơng pháp nào dùng để đo trực tiếp tổng nhiệt lƣợng cung cấp do
52
nung nóng trƣớc. Thƣờng thƣờng nhiệt độ nung nóng trƣớc đƣợc tính toán thông qua các phƣơng pháp sau: Sử dụng phƣơng trình tốc độ nguội và tính toán dựa vào thành phần hoá học của các loại vật liệu.
Những đi u cần chú ý đối với nguyên công nung nóng trước khi hàn:
- Nguyên tắc cơ bản nhất khi hàn các loại vật liệu bằng thép hợp kim là phải yêu cầu nung nóng trƣớc, có nghĩa là “giữ cho nó nóng”, tức là phải duy trì vùng kim loại hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt ở một dải nhiệt độ và tốc độ nguội nhất định.
- Nung nóng trƣớc có ảnh hƣởng rất lớn đối với việc ngăn ch n sự xuất hiện vết nứt của liên kết hàn có ứng suất dƣ lớn. Trong quá trính hàn, việc áp dụng quá trình nung nóng trƣớc sẽ giữ cho nhiệt độ vật hàn ở nhiệt độ cao hơn, điều đó đồng nghĩa với việc tăng khả năng biến dạng dẻo, giảm ứng suất dƣ.
- Tốc độ truyền nhiệt khi hàn đắp lớn hơn nhiều so với khi hàn nối. Khi hàn đắp dòng nhiệt đƣợc truyền đi theo 3 chiều, do vậy yêu cầu nhiệt lƣợng cung cấp cũng nhƣ nhiệt độ nung nóng trƣớc lớn hơn.
4.7.3.2. Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn
Thông thƣờng, khi hàn một loại thép có yêu cầu một giá trị nhiệt độ nung nóng nào đó thì cũng phải giữ nhiệt độ đó giữa các lớp hàn. Với nhiệt vật hàn, năng lƣợng nhiệt cung cấp trong quá trình hàn đủ để duy trì nhiệt độ yêu cầu giữa các đƣờng hàn.
Khi hàn bề m t trụ từ loại thép cacbon kết cấu ho c thép hợp kim thì sau khi nung nóng trƣớc quá trình hàn cũng bắt đầu. Việc bố trí quy trình hàn hợp lý là vấn đề phải quan tâm để giảm tối thiểu thời gian hàn, kết thúc quá trình hàn càng sớm càng tốt, nhằm tránh phải thực hiện việc gia nhiệt bổ sung giữa các lớp hàn.
Từ mục đích chính của việc nung nóng trƣớc là làm giảm tốc độ nguội, giảm khả năng biến cứng của mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt. Cũng vì mục đích đó nên các đƣờng hàn cũng phải có tốc độ nguội tƣơng tự nhƣ nhau và thấp hơn tốc độ
53
nguội tới hạn. Để đạt đƣợc điều kiện này thì phải duy trì nhiệt độ giữa các đƣờng hàn cũng phải có giá trị ít nhất là phải bằng nhiệt độ nung nóng trƣớc. Nếu điều kiện này không đƣợc thoả mãn thì sẽ xảy ra hiện tƣợng biến cứng ở mỗi mối hàn riêng rẽ tại nơi không thoả mãn nhiệt độ yêu cầu.
Với những phân tích nhƣ đã nêu ở phần trên, thông thƣờng ngƣời ta quy định nhiệt độ giữa các đƣờng hàn ngang bằng với nhiệt độ nung nóng trƣớc.
4.7.3.3. Xử lý nhiệt sau khi hàn
Trong kết cấu hàn, sau khi hoàn tất quá trình hàn sẽ tồn tại một nội ứng suất đƣợc gọi là ứng suất dƣ. Trong một vài trƣờng hợp, giá trị của ứng suất dƣ có thể lớn xấp xỉ giá trị giới hạn chảy của vật liệu. Khi kết cấu hàn chịu ngoại lực thì nội ứng suất sẽ tăng thêm từ phía ứng suất dƣ cùng dấu và có thể vƣợt quá giá trị ứng suất thiết kế dẫn đến phá huỷ kết cấu hàn. Do vậy việc khử ứng suất dƣ của kết cấu hàn là việc làm cần thiết nhằm tăng tuổi thọ và độ tin cậy của kết cấu hàn.
Để nhằm mục đích khử ứng suất dƣ sau khi hàn, có hai phƣơng pháp chính đó là xử lý cơ học và xử lý nhiệt. Việc xử lý bằng cơ học đôi khi rất hạn chế về phạm vi áp dụng và hiệu quả. Trong khi đó, xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT) là phƣơng pháp rất hiệu dụng. Phƣơng pháp này có thể áp dụng phù hợp cho nhiều chủng loại chi tiết, m t khác công dụng của chúng không chỉ nhằm mục đích giảm ứng suất dƣ mà còn có nhiều tác dụng hữu hiệu làm tăng đáng kể chất lƣợng mối hàn, đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tăng tuổi thọ và độ tin cậy của liên kết hàn.
Khử ứng suất dƣ bằng xử lý nhiệt là phƣơng pháp mà trong đó kết cấu hàn đƣợc nung nóng lên tới một nhiệt độ đủ lớn và đƣợc duy trì trong một thời gian vừa đủ cho đến khi ứng suất dƣ hầu nhƣ đƣợc khử hoàn toàn.
Quá trình khử ứng suất dƣ và nguyên công ủ ho c thƣờng hoá là hoàn toàn khác nhau. Nhiệt độ ủ và thƣờng hoá cao hơn dải nhiệt độ tới hạn, vào khoảng 750 – 9000C, trong khi đó nhiiệt độ khử ứng suất dƣ thấp hơn dải nhiệt độ tới hạn. Khi ủ và thƣờng hoá cũng khử ứng suất dƣ, song nhiệt độ đòi hỏi rất cao của quá trình này
54
sẽ dẫn đến sự dịch chuyển biến pha của cấu trúc hạt tinh thể, dẫn đến sự thay đổi về cơ tính đồng thời kích thƣớc hình học của kết cấu có thể bị thay đổi.
Mối liên hệ giữa nhiệt độ xử lý nhiệt và ứng suất dƣ tồn tại trong chi tiết cho thép hợp kim thấp thƣờng đƣợc thể hiện trên Hình 3.17. Ta nhận thấy rằng, tại nhiệt độ 5000C, vẫn còn tồn tại 27% giá trị ứng suất dƣ trong kết cấu hàn. Chỉ tới khi