3.3.1.1- Công nghệ hàn
- Công nghệ hàn thường được phân chia theo hai cách khác nhau là phân chia theo kiểu hàn và phân chia theo phương pháp hàn:
+ Phân chia theo kiểu hàn gồm: Hàn bằng tay, hàn bán tự động, hàn tự động và hàn bằng robot.
+ Phân chia theo phương pháp hàn gồm hơn 30 phương pháp hàn khác
nhau, một số phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay gồm: hàn hồ quang tay, hàn MAG, hàn MIG, hàn dưới thuốc, hàn hơi, hàn laser, hàn siêu
âm, hàn điện xỉ, hàn TIG...
3.3.1.2 -Ảnh hưởng của yếu tố công nghệ
- Xétảnh hưởngcủa công nghệ hàn:
+ Hàn tự động và hàn rô bốt cho chất lượng mối hàn cao nhất; với phương pháp này sẽ loại bỏ được yếu tố trình độ tay nghề của người thợ nhưng đòi hỏi phải tính toán chính xác chế độ hàn để đạt được mối hàn đồng
đều và chất lượng caọ Như vậy chất lượng mối hàn hoàn toàn phụ thuộc vào sự tính toán hợp lý của con ngườị
+ Khi hàn bằng tay và hàn bán tự động chất lượng mối hàn phụ thuộc
vào chế độ hàn và vào trình độ tay nghề của người thợ. Nếu chế độ hàn chọn
phù hợp mà trình độ tay nghề của người thợ thấp hoặc trình độ tay nghề của người thợ cao mà chế độ hàn không hợp lý cũng dẫn tới chất lượng mối hàn không tốt.
- Xét ảnh hưởng của phương pháp hàn.
+ Căn cứ vào kim loại hàn, kiểu mối hàn và yêu cầu về cơ tính ta có thể
áp dụng được nhiều phương pháp hàn; tuy vậy còn phải căn cứ vào tính kinh tế và yêu cầu về cơ tính để chọn phương pháp hàn phù hợp.
+ Cơ tính mối hàn phụ thuộc vào kích thước và tổ chức kim loại ở khu
vực ảnh hưởng nhiệt, mỗi phương pháp hàn sẽ có kích thước vùngảnh hưởng
nhiệt khác nhaụ Vì vậy khi lựa chọn phương pháp hàn điều đầu tiên người ta
phải đặt cơ tính mối hàn lên hàng đầu sau đó mới xét đến chỉ tiêu về kinh
tế.(bảng3.5)
Ví dụ: Khi hàn thùng chứa nước sinh hoạt 10m3bằng vật liệu thép các
bon thấp thì có thể dùng các phương pháp hàn để đảm bảo cơ tính như : hàn
hồ quang tay, hàn TIG, hàn dưới thuốc, hàn MAG... Xét về tính kinh tế thì
hàn TIG có giá thành đắt nhất, hàn MAG thì giá thành rẻ nhất, vì vậy hàn
MAG được lựa chọn. Nhưng nếu cùng bình chứa nước này nhưng vật liệu thay đổi là thép không gỉ (inox) thì chỉ có một lựa chọn duy nhất là hàn TIG.
Bảng 35. Kích thước vùngảnh hưởng nhiệt của một số phương pháp hàn
Kích thước trung bình các vùng (mm) Phương pháp hàn Quá nhiệt Thường hóa Kết tinh lại
không hoàn toàn
Chiều dài vùng
ảnh hưởng nhiệt (mm) Hàn hồ quang tay 2.2 1.6 2.2 6.0 Hàn khí (hàn hơi) 21.0 4.0 2.0 28.0 Hàn MAG 0.8÷1.2 0.8÷1.7 0.7 2.5 Hàn TIG 18.0 5.0 3.0 27.0 Hàn dưới thuốc 1.0 1.9 0.9 3.0
+ Phương pháp hàn theo thời gian không thay đổi về bản chất nhưng
thiết bị phục vụ nó luôn luôn có sự cải tiến với mục đích thuận tiện hơn cho người thợ, phục vụ tốt hơn cho chất lượng mối hàn. Ví dụ, các máy hàn trước đây sử dụng bảng điều khiển bằng nút xoay thì hiện nay sử dụng kỹ thuật điều
khiển bằng kỹ thuật số, có thể lưu trữ các chương trình hàn khác nhau để người thợ ít phải điều chỉnh khi hàn các vật liệu giống nhau, một số máy có
hỗ trợ cho thợ hàn khi bắt đầu và kết thúc mối hàn, có thêm bộ điều khiển xạ
3.3.2 -Ảnh hưởng của vật liệu[11, 3, 12]
3.3.2.1-Ảnh hưởng của vật liệu phụ
- Dây hàn: Dây hàn thường có thành phần hóa học tương đương như kim loại cơ bản, được lựa chọn tương ứng theo quy định, hoặc có thể thay thế bằng các
vật liệu tương đương, vật liệu hàn phải qua các bước kiểm tra nhãn mác, chất lượng và được tư vấn kỹ thuật phê duyệt mới được áp dụng trong sản xuất. Dây hàn trước khi nạp vào cuộn để sử dụng phải làm sạch dầu mỡ, han rỉ, hơi
nước và các tạp bẩn khác. Nếu dây hàn có tạp chất, tạp chất này sẽ vào bể hàn và sinh ra các thể khí làmảnh hưởng tới chất lượng mối hàn.
- Khí bảo vệ: Khí bảo vệ phải bảo đảm độ tinh khiết được quy định riêng cho từng công nghệ hàn, trong hàn MAG chủ yếu sử dụng khí CO2 công nghiệp có độ tinh khiết 99,50% . Khi sử dụng khí Ar hoặc Ar trộn thêm thành phần
O2 sẽ làm tăng nhiệt độ của hồ quang làm cho chiều sâu nóng chảy lớn hơn.
Khí CO2 làm tản nhiệt nhanh hơn vì vậy nó làm cho bể hàn có nhiệt độ nóng
chảy thấp hơn, chiều sâu nóng chảy giảm.
3.3.2.2-Ảnh hưởng của kim lại cơ bản
Không phải kim loại và hợp kim nào khi hàn cũng cho chất lượng mối
hàn giống nhaụ Chất lượng mối hàn của kim loại và hợp kim so với kim loại cơ bản của chính nó phụ thuộc vào thành phần hóa học của kim loại cơ bản,
chủ yếu là thành phần cac bon và nguyên tố hợp kim.
Carbon là nguyên tố hợp kim chính của hầu hết các lọai thép. Tăng hàm lượng carbon sẽ làm tăng tính biến cứng của vật liệu khi bị tác động
nhiệt. Khi xét đến tính hàn (bảng 3.6) chúng ta xét đến khả năng giảm thiểu các nguy cơ xuất hiện các vết nứt do biến cứng ở vùng ảnh hưởng nhiệt. Khi xác định tính hàn thép và hợp kim, chúng ta phải xét đế ảnh hưởng của các
nguyên tố hợp kim có trong thép đến tính hàn. Hàm lượng Carbon tương đương C là chỉ số thể hiện các ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến
tính hàn với giả định là các nguyên tố hợp kim sẽ tác động tương tự như tác động của sự gia tăng hàm lượng carbon trong thép. Công thức xác định hàn
lượng carbon tương đương:
15 5 6 Cu Ni V Mo Cr Si Mn C CE (3.50)
Bảng 3.6. Hàm lượng carbon tương đương và tính hàn của kim loại
Giá trị CE Chỉ số
tính hàn Diễn giải
<0,3 1
0,3≤CE<0,35 2
0,35≤CE<0,4 3
Tính hàn tốt: Gồm các kim loại hàn được bằng nhiều phương pháp, chế độ hàn có phạm vi rộng, không cần sử
dụng biện pháp công nghệ phức tạp mà vẫn đảm bảo
chất lượng cao, có thể hàn trong mọi điều kiện.
0,4≤CE<0,45 4
0,45≤CE<0,5 5
0,5≤CE<0,55 6
Tính hàn thoả mãn(trung bình): Nhóm này chỉ thích
hợp với một số phương pháp hàn nhất định, các thông
số của chế độ hàn dao động trong một phạm vi hẹp, yêu cầu về vật liệu hàn chặt chẽ hơn, có thể phải sử dụng
biện pháp công nghệ phức tạp
0,55≤CE<0,6 7
0,6≤CE<0,65 8
0,65≤CE<0,7 9
Tính hàn hạn chế: Gồm những loại vật liệu cho phép
nhận được các liên kết hàn với chất lượng mong muốn trong các điều kiện khắt khe về công nghệ và vật liệu
hàn. Phải sử dụng các biện pháp phức tạp, chế độ hàn nằm trong một phạm vi rất hẹp. Tuy vậy, liên kết hàn vẫn có khuynh hướng bị nứt và dễ xuất hiện các khuyết
tật khác
0,7≤CE<0,75 10
0,75≤CE<0,8 11
0,8≤CE 12
Tính hàn xấu: Thường phải hàn bằng các công nghệ đặc biệt, phức tạp và tốn kém. Tổ chức kim loại mối hàn tồi, dễ bị nứt nóng và nứt nguộị Cơ tính và khả năng
làm việc của liên kết hàn thường thấp hơn so với vật
liệu cơ bản.
Ghi chú: Biện pháp phức tạp gồm nung nóng sơ bộ,gia nhiệt, nhiệt luyện sau hàn... - Sự ảnh hưởng của các nguyên tố trong lõi thép que hàn và mép hàn của kim
loại cơ bản:
+ Cac bon: Là chất khử ôxy tương đối tốt, khi nhiệt độ cao sinh ra khí
CO, CO2 không hoà tan trong kim loại, nhưng có khả năng đẩy thể khí không
có lợi đối với mối hàn trong không khí như ôxy, nitơ tạo ra luồng hơi để thổi
những giọt kim loại chảy, do đó mà khi hàn đứng và hàn ngửa tương đối dễ nhưng nó lại tăng thêm sức bắn toé của kim loạị Nếu lượng các bon nhiều hơn, khi thao tác hàn không được chính xác, kim loại nóng chảy bị nguội
nhanh thể khí sinh ra khó thoát tạo thành những lỗ hơị Các bon nhiều quá làm cho điểm nóng chảycủa lõi thép que hàn hạ xuống, tính lưu động và điện
trở suất tăng đồng thời tính dẻo giảm, tính giòn tăng, tính nhạy cảm đường
nứt tăng. Do đó hàm lượng cácbon trong lõi thép que hàn hạn chế dưới 0,18%
+Mangan : Là chất khử ôxy rất tốt nó có thể hoà hợp với lưu huỳnh để
tạo thành sun phát mangan (MnS), có thể tác dụng khử lưu huỳnh và khả năng
giảm nứt vì nóng. Nó là chất thấm hợp kim, nâng cao cơ tính mối hàn.
Hàm lượng Mn trong lõi thép que hàn thường hạn chế từ 0,4- 0,6 %, có một
số lõi thép que hàn trên 0,8– 1,1%.
+ Silic: Năng lực đẩy ôxy của Silic mạnh hơn Mangan. Nhưng vì Biôxít Silic do Silic và ô xít tạo thành SiO2 có điểm nóng chảy cao, làm cho xỉ hàn
đặc thêm, mối hàn dễ lẫn xỉ. Mặt khác do năng lực đẩy ôxy của nó, làm cho cácbon trong vùng nóng chảy ở nhiệt độ cao, không ôxy hoá được, nhưng khi vùng nóng chảy đông đặc, cácbon mới bị ôxy hoá thể sinh ra, sau khi bị ôxy
hoá khó thoát tạo thành lỗ hơị Ngoài ra (Si) nhiều làm cho kim loại bắn tóe, nên hàm lượng (Si) trong lõi thép que hàn thường hạn chế dưới 0.03%.
+Crôm : Trong lõi thép que hàn cácbon thấp, Crôm là tạp chất, sau khi
bị ôxy hoá sẽ thành ôxít Crôm ( Cr203 ) khó chảy làm tăng hàm lượng xỉ hàn lẫn trong mối hàn, do đó hạn chế dưới 0,03%.
+Lưu huỳnh và phốt pho: Là hai tạp chất có hại tồn tại trong thép khi
khai thác và luyện kim trong thép, lưu hùynh kết hợp với sắt tạo thành sunfát sắt (FeS) điểm nóng chảy thấp so với sắt, cho nên mối hàn ở nhiệt độ cao sẽ
bị nóng nứt. Phốt pho hợp với sắt thành phốt pho sắt (Fe2P) hoặc (Fe4P) làm
tăng tính lưu động của kim loại, ở nhiệt độ bình thường biến giòn. Cho nên
hàm lượng phốtpho và lưu huỳnh trong lõi thép que hàn chỉ được nhỏ hơn 0,04%. Đối với hàn kết cấu quan trọng yêu cầu P , S < 0,03%.
3.3.3 -Ảnh hưởng của chế độ hàn[11, 3, 12, 21]
3.3.3.1 -Ảnh hưởng chung của chế độ hàn đến cơ tính mối hàn
Khi hàn, kim loại mép hàn và kim loại phụ bị đốt tới trạng thái nóng
chảy và kết tinh tạo thành mối hàn, tổ chức kim loại tại vùng mối hàn tương
tự như một thỏi đúc. Mặt khác,nhiệt lượng trong quá trình hàn truyền ra xung
quanh rất lớn, tạo ra cho vùng tiệm cận mối hàn một vùng có nhiệt độ cao gọi
là khu vực ảnh hưởng nhiệt. Tổ chức kim loại của mối hàn và khu vực ảnh hưởng nhiệtchịu sự biến đổi thù hình theo giản đồ trạng thái Fe-C (hình 3.6)
Như vậy, cơ tính mối hàn phụ thuộc vào kích thước và tổ chức kim loại
củakhu vực ảnh hưởng nhiệt; các yếu tố như dòngđiện hàn, điện thế hàn, tốc độ hàn... sẽ ảnh hưởng tới năng lượng đường. Nếu năng lượng đường càng lớn khu vực ảnh hưởng nhiệt càng lớn, chiều sâu nóng chảy càng tăng nhưng
nó làm cho khu vực ảnh hưởng nhiệt rộng, cơ tính mối hàn không tốt. Ngược
lại nếu năng lượng đường nhỏ, khu vực ảnh hưởng nhiệt sẽ nhỏ nhưng chiều
sâu nóng chảy lại giảm, cơ tính mối hàn cũng giảm.
Khu vực ảnh hưởng nhiệt là vùng chịu tác động của nhiệt độ trong quá
trình hàn từ 100o trở lên, chia thành 6 vùng theo nhiệt độ tác động (hình 3.6)
Hình 3.6. Tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn
+ Vùng viền chảy(1): Là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn nằm giữa
kim loại mối hàn nóng chảy và kim loại vật hàn không nóng chảỵ Vùng này
có kích thước bé; hạt kim loại nhỏ, mịn và cóảnh hưởng tốt đến mối hàn.
+ Vùng quá nhiệt(2): Có nhiệt độ từ 1100oC đến gần nóng chảy kim loại chịu
sự biến đổi về hình thù hạt Austenit phát triển mạnh, vùng này hạt kim loại to có độ dai và tính dẻo kém là vùng yếu nhất của mối hàn.
+ Vùng thường hoá(3): Là vùng kim loại bị nung nóng từ 900oC-1100oC có tổ
chức hạt péclit, ferit nhỏ vì thế nó có cơ tính tương đối caọ
+ Vùng kết tinh lại không hoàn toàn(4): Là vùng có nhiệt từ 720o-900oC tổ
chức hạt ferit thô và hạt Austenit nhỏ vì thế cơ tính của vùng này giảm do độ
+ Vùng hoá già(5): Vùng này kim loại bị nung nóng từ 500o ÷ 700oC, diễn ra
quá trình kết hợp giữa tinh thể nát vụn với nhau trong trạng thái biến dạng dẻo
trong quá trình kết tinh lại phát sinh và phát triển những tinh thể mớị Nếu giữ ở nhiệt độ này quá lâu thì không diễn ra quá trình kết hợp mà lại diễn ra quá
trình phát triển mạnh các tinh thể. Khi hàn kim loại không có biến dạng dẻo
và sẽ không xảy ra quá trình kết tinh lạị Vùng này có độ cứng giảm tính dẻo tăng.
+ Vùng giòn xanh (6): Là vùng kim loại được nung nóng từ 100o-500oC trong qúa trình hàn vùng này không có thay đổi rõ về tổ chức nhưng do ảnh hưởng
nhiệt nên tồn tại ứng suất dư.
Như vậy, cơ tính của mối hàn phụ thuộc vào của kích thước và cấu tạo
của khu vực ảnh hưởng nhiệt. Kích thước và cấu tạo của khu vực ảnh hưởng
nhiệt phụ thuộc vào năng lượng đường; năng lượng đường chủ yếu phụ thuộc
vào các thông số chế độ hàn; có thể nói, thông số của chế độ hàn sẽ quyết định cơ tính của mối hàn. (công thức 3.35)
v I U
qđ . . (J/cm)
3.3.3.2 -Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến cơ tính mối hàn
Để bảo đảm đạt được mối hàn có chất lượng cần thiết cần chọn đúng
các thông số của chế độ hàn và điều kiện hàn. Trong quá trình hàn, cần đảm
bảo sự ổn định của các thông số đã đặt trước. Trong phần lớn trường hợp,
chất lượng mối hàn mang tầm quan trọng hàng đầu tuy nhiên, cũng không thể
bỏ qua các yêu cầu về năng suất, tính kinh tế. Người thợ vận hành chịu trách
nhiệm đặt chế độ hàn thích hợp cho thiết bị hàn bán tự động và tự động. Để đảm bảo chất lượng mối hàn người thợ phải hiểu được ảnh hưởng của các đại
lượng và tương tác giữa chúng. Khi hàn bán tự động, thợ hàn có thể gây ảnh
hưởng đáng kể lên năng suất và chất lượng hàn. Khi hàn tự động, thiết bị tự
giữ nguyên các thông số đã đặt trước. Các thông số quan trọng cần đặt của
chế độ hàn là cường độ dòng hàn, chiều dài hồ quang và tốc độ hàn. Thông qua các thông số này, có thể tính mức năng lượng đường. Ngoài ra, còn có các thông số và điều kiện hàn khác cũng có ảnh hưởng đến cơ tính, hình dạng
và kích thước mối hàn như: mật độ dòng điện hàn, đường kính dây hàn, cực
hàn, tầm với điện cực, tư thế hàn và góc nghiêng dây hàn, thành phần kim loại cơ bản và kim loại dây hàn, thành phần khí bảo vệ, hình dạng và kích thước
bề mặt sẽ hàn. Đối với cơ tính mối hàn, ảnh hưởng toàn bộ của các thông số và điều kiện hàn có thể được biểu thị qua độ bền kéo, góc uốn và độ dai va đập. Khi hàn, điều quan trọng là có được cơ tính mối hàn thích hợp. Sau đây
làảnh hưởng của các thông số vừa nêu lêncơ tính của mối hàn.
- Khi hàn, nhiệt trong quá trình hàn không những làm nóng vùng mối hàn mà còn ảnh hưởng sang các vùng bên cạnh thuộc kim loại cơ bản. Vì vậy nó làm