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 nhiệt độ vƣợt quá 6000C thì ứng suất dƣ mới đƣợc coi nhƣ đƣợc loại trừ hoàn toàn.
Việc áp dụng biện pháp xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT) sẽ tạo ra các ảnh hƣởng tích cực sau:
- Góp phần làm giảm và khử ứng suất dƣ.
- Làm nhỏ mịn hạt kim loại ở vùng ảnh hƣởng nhiệt
- Giải phóng khí hyđrô xâm nhập vào mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt, góp phần ngăn ch n hiện tƣợng nứt nguội.
- Tăng đáng kể độ dai va đập
- Làm giảm giới hạn bền và giới hạn chảy của vật liệu khoảng 10% song lại làm tăng tính dẻo của vật liệu, ngăn ch n hiện tƣợng phá huỷ dòn của kết cấu trong quá trình làm việc.
55
-
Nhiệt độ khử ứng suất dư (C)
Hình 13: Mối liên hệ giữa nhiệt độ và ứng suất dư
Sau khi hàn bề m t trụ thông thƣờng cùng tồn tại ứng suất kéo và ứng suất nén, tuy nhiên cả hai loại ứng suất này sẽ tự triệt tiêu với nhau ho c đƣợc phân bố đều lại trong chi tiết khi ta duy trì liên kết hàn ở nhiệt độ cao (thấp hơn nhiệt độ biến đổi pha) trong một khoảng thời gian phù hợp, đó là biện pháp tích cực nhất.
56
CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN TRƢỜNG NHIỆT Đ KHI HÀN ĐẮP BỀ MẶT TRỤ
Môi trƣờng nhiệt độ ở trong vùng lân cận kim loại hàn phải đƣợc giữ và khống chế trong một giới hạn riêng nào đó, nhằm mục đích điều chỉnh đƣợc cấu trúc mạng tinh thể, các đ c tính cơ học, ứng suất dƣ và biến dạng của chi tiết hàn. Để đạt đƣợc điều đó phải đ c biệt quan tâm tới các thông số liên quan sau:
- Quá trình đông đ c của kim loại hàn
- Sự phân bố của vùng nhiệt độ cực đại của kim loại hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt
- Tốc độ nguội của vùng nhiệt độ cực đại của kim loại hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt.
Trƣớc đây các kết quả thu đƣợc qua kinh nghiệm về sự truyền nhiệt cũng phù hợp với các phƣơng trình đơn giản của lý thuyết truyền nhiệt. Các công cụ kỹ thuật cũng ngày càng đƣợc phát triển để tính toán tốc độ nguội, nhiệt độ đỉnh và kích thƣớc vùng ảnh hƣởng nhiệt, tốc độ đông đ c. Với những phƣơng trình này, các phƣơng pháp dùng để điều khiển trƣờng nhiệt nhằm đạt đƣợc các đ c tính tin cậy của liên kết hàn đã đƣợc dự đoán trƣớc. Tuy vậy cùng với sự ra đời của máy tính hầu hết các đƣờng biểu diễn bằng số liệu thí nghiệm đã trở nên không cần thiết. Hình dạng hình học của mối hàn đã đƣợc mô phỏng hoá, các phƣơng trình truyền nhiệt đã có thể giải quyết bằng các chƣơng trình số.
Những nguyên lý cơ bản của trƣờng nhiệt và những đ c trƣng cơ bản của quá trình truyền nhiệt hàn đối với các chi tiết bán vô tận sẽ là mục tiêu nghiên cứu chính ở đây. Việc xác định hiệu suất truyền nhiệt từ hồ quang hàn rất quan trọng cho việc xác định sự truyền nhiệt. Do vậy cũng cần nghiên cứu sâu về hiệu suất hồ quang và sự phân bố năng lƣợng khi hàn.
Ngày nay, các phƣơng trình phức tạp khác nhau về trƣờng nhiệt khi hàn đã đƣợc giải nhờ sự hỗ trợ của máy tính điện tử. Tuy vậy những phƣơng trình đơn giản đƣợc xây dựng bởi các số liệu kỹ thuật vẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc tính toán và dự đoàn về tốc độ nguội cũng nhƣ các đ c tính khác của quá trình hàn.
57
Từ các số liệu kỹ thuật thực tế, đã đƣa ra đƣợc các phƣơng trình để xác định tốc độ nguội, nhiệt độ đỉnh và phƣơng pháp để tính toán bề rộng của vùng ảnh hƣởng nhiệt khi hàn có thể tính toán và mô phỏng đƣợc đ c điểm và hình dạng của bể hàn, kết cấu vùng kết tinh, kết cấu của vùng ảnh hƣởng nhiệt, sự phân bố của chu trình nhiệt.
5.1. Những đặc trƣng cơ bản của phƣơng trình truyền nhiệt
Những đ c trƣng cơ bản của sự truyền năng lƣợng nhiệt từ hồ quang hàn tới chi tiết hàn và sự truyền nhiệt trong bản thân chi tiết phụ thuộc chính vào độ dẫn nhiệt của vật hàn, nó đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau.
( )T T ( )T T ( )T T C T( ) T x x y y z z t
Trong đó: x : Toạ độ phƣơng trùng với hƣớng hàn, (mm)
y : Toạ độ phƣơng ngang với hƣớng hàn, (mm)
z : toạ độ theo phƣơng vuông góc với bề m t hàn, (mm)
T: Nhiệt độ tại điểm cần khảo sát của vật hàn, 0 C (T): Độ dẫn nhiệt của kim loại, J/mm.s.0
C : Khối lƣợng riêng của kim loại, g//cm3
C: Nhiệt dung riêng của kim loại, J/g.0 C
Sự hình thành nội trƣờng nhiệt là một thông số rất quan trọng khi quá trình hàn cung cấp nhiệt lƣợng cho cả phần vật liệu ở bên dƣới bề m t hàn. Đối với phƣơng pháp hàn tự động, thƣờng sử dụng mật độ năng lƣợng rất lớn. Đầu tiên năng lƣợng nhiệt đƣợc truyền trực tiếp vào bề m t chi tiết, sự nung nóng bề m t chi tiết đƣợc quyết định bởi sự phân bố dòng nhiệt q(x,y) trên một diện tích nhỏ của bề m t chi tiết hơn là bởi sự hình thành trƣờng nhiệt bên trong.
z T T y x q( , )( ). /
Trong đó q(x,y) : Sự phân bố dòng nhiệt trên bề m t vật hàn, W/mm2
Năng lƣợng nhiệt bị thất thoát ra môi trƣờng xung quanh thông qua việc bức xạ nhiệt và sự đối lƣu, ho c nó đƣợc truyền sang các vật đỡ và cố định trục ho c các chi tiết khác liên kết với nó. Do vậy, năng lƣợng nhiệt cung cấp để tạo bể hàn có thể
58
tập trung vào một phần diện tích nhỏ của bề m t vật hàn nhƣ một dòng nhiệt (q)
ho c truyền vào bên trong vật hàn (Qn). Năng lƣợng nhiệt đƣợc phân bố trong vật hàn nhờ truyền nhiệt và cuối cùng sẽ thất thoát ra môi trƣờng xung quanh thông qua các chi tiết đỡ ho c các kết cấu liên kết hàn.
5.2. Năng lƣợng nhiệt truyền vào chi tiết hàn
Diện tích bề m t năng lƣợng nhiệt truyền vào rất nhỏ. Có 3 thông số cơ bản khống chế lƣợng nhiệt cung cấp cho bề m t chi tiết và bên trong vật hàn đó là.
- Độ lớn của dải tốc độ truyền vào vật hàn (năng lƣợng của nguồn cung cấp trong một đơn vị thời gian), W
- Sự phân bố của năng lƣợng truyền
- Tốc độ hàn, mm/s
Thông thƣờng nhiệt lƣợng cung cấp đƣợc thể hiện bởi một thông số chính đó là nhiệt lƣợng cung cấp Q(J/mm), đó chính là tỉ số giữa năng lƣợng hồ quang truyền vào vật hàn trong một đơn vị thời gian và tốc độ hàn..
( / ) t UI Q f J mm v Trong đó: U : Điện áp hàn, V I: Dòng điện hàn, A v: Tốc độ hàn, mm/s
fl: Hiệu suất truyền năng lƣợng nhiệt của các loại phƣơng pháp hàn. Hàn hồ quang tay : fl = 0.65 – 0.7