c. Thử b gãy mối hàn gó
4.1.1. Chuẩn bị mẫu hàn
4.1.1.1 Kích thƣớc chi tiết mẫu
Để đáp ứng cho mục tiêu các mẫu chi tiết đƣợc sử dụng trong đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật kiểm tra khuyết tật mối hàn bằng phƣơng pháp siêu âm và X quang, mối ghép hàn sẽ là mối ghép giáp mí vát mép chữ V với chiều dày ≥ 6mm. Với kích thƣớc ngoại quan của chi tiết mẫu đƣợc đề xuất nhƣ sau:
Với T = 10mm; L =200mm; W =250 mm
Hình 4.1. Kích thƣớc mẫu hàn
4.1.1.2 Thiết kế mối ghép
- Mối ghép cho chi tiết mẫu khi hàn giáp mối trong thực tế phụ thuộc vào chiều dày T của mẫu hàn, khi chiều dày 4 T12 thì kiểu mối ghép là vát cạnh chữ
cạnh chữ V đôi). Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài tác giả lựa chọn chiều dày chi tiết mẫu T=10 vì vậy kiểu mối ghép là mối hàn giáp mối vát cạnh chữ V có các kích thƣớc nhƣ sau.
T = 10 - Chiều dày kim loại cơ bản b = 1.0±0.5 - Khe hở chân c = 1.0±0.5 - Bề mặt chân α = 270 ±3 - Góc vát Hình 4.2. Kích thƣớc mối ghép [19] 4.1.1.3 Lựa chọn vật liệu hàn
Vật liệu cơ bản đƣợc lựa chọn theo bảng 2.1 và 2.3 cặp vật liệu là thép cacbon
thấp A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240M 316L.
Vật liệu đắp (dây hàn phụ) khi lựa chọn cần đặc biệt chú ý đến vùng đƣờng
chảy (viền chảy) có thành phần khác giữa kim loại cơ bản và mối hàn. Vùng này thƣờng là nơi phát sinh phá hủy do giòn, ăn mòn hoặc mỏi. Cấu trúc và tính chất của vùng này phụ thuộc vào quá trình kết tinh đồng thời của các vật liệu khác nhau và sự hình thành các lớp khuếch tán có thành phần biến đổi.
Hình 4.3. Cấu trúc của kim loại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt
Khi thành phần hóa học mang tính đồng nhất trong phạm vi một lớp hàn, tại khu vực gần đƣờng chảy có một lớp kết tinh. Hàm lƣợng các nguyên tố tại lớp này thay đổi liên tục theo hƣớng từ kim loại cơ bản đến kim loại mối hàn và có thành
phần hóa học khác với kim loại cơ bản. Cấu trúc và tính chất của lớp kết tinh phụ thuộc vào thành phần hóa học của kim loại mối hàn và kim loại cơ bản.
Khi hàn thép khác loại cấu trúc các lớp này có cấu trúc mactenzit hợp kim cao có đặc tính giòn và có độ cứng lớn. Mức độ dự trữ austenit của thép (đƣơng lƣợng Ni và Cr) càng nhỏ thì chiều dày của lớp đó càng lớn. Vì vậy khi chọn vật liệu đắp trong những trƣờng hợp nhƣ vậy ta nên chọn loại có đƣơng lƣợng Ni và Cr lớn.
Công thức tính đƣơng lƣợng Crôm và Ni nhƣ sau:
%CrE = %Cr + %Mo + (1,5x%Si) + (0,5x%Ni [5.1] %NiE = % Ni + (30x%C) + (0,5x%Mn) [5.2]
Từ công thức tính đƣơng lƣợng Cr và Ni ta nhận thấy rằng để có đƣơng lƣợng Ni và Cr lớn chúng ta cần chọn vật liệu hàn có thành phần Cr và Ni lớn. Từ giản đồ Schaeffler, các mác thép không gỉ 309L, 310 và 317L là có đƣơng lƣợng Cr và Ni lớn hơn thép không gỉ 316L.
Theo [19] khi hàn thép không rỉ Cr - Ni hoặc Cr – Ni - Mo với thép cacbon thấp thì vật liệu đắp đƣợc sử dụng là 309L và 309MoL.
Đối chiếu các mác thép của vật liệu đắp này với các loại vật liệu đắp của nhà sản xuất Công ty thép Kobe và của hãng Avesta Welding tác giả chọn đƣợc vật liệu hàn chuyên sử dụng cho hàn hai kim loại khác nhau khi hàn thép cacbon thấp và thép không gỉ austenit [11,16] nhƣ sau:
- Ký hiệu: TG-S309L của hãng Kobelco tƣơng đƣơng 309L của Avesta Welding (theo tiêu chuẩn của hiệp hội hàn Mỹ AWS A5.9 ER309L )
- Đƣờng kính dây hàn phụ: Ø1.6 mm, Ø2,4mm, Ø3.2 mm. - Chiều dài dây hàn phụ: 1000mm.
- Dòng điện hàn: 140 – 230A
- Lƣu lƣợng khí bảo vệ: 4 – 8 lít/phút - Số ferit: 11 FN Delong
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của dây hàn phụ [11] Vật liệu hàn (dây hàn phụ) Thành phần hóa học (%) C Mn P S Si Cr Ni Mo Cu Kobelco TG-309L (AWS A5.9 ER309L) 0.016 1,84 0,019 0,002 0,41 23,28 13,68 0,03 0.04
Bảng 4.2: Cơ tính của Dây hàn phụ TG-309L [11]
Dây hàn phụ Trạng thái Cơ tính Độ bền kéo (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Độ giãn dài tƣơng đối (%) Kobelco TG-309L (AWS A5.9 ER309L) 570 410 38 4.1.2 Hàn đính 4.1.2.1 Trình tựvà kích thƣớc mối hàn đính
Khi hàn hai vật liệu thép cacbon thấp - thép không gỉ, các thông số của mối hàn đính cần phải chú trọng vì sự khác biệt về tính chất vật lý của hai vật liệu này:
- Về tính giãn nở nhiệt của thép không gỉ austenit cao hơn 50% so với thép cacbon thấp [19]. Kết quả khi hàn thép không gỉ austenit khả năng biến dạng sẽ lớn hơn. Do đó yêu cầu nhiều mối hàn đính hơn so với khi hàn thép cacbon thấp.
- Về tính dẫn nhiệt của thép không gỉ austenit chỉ bằng 1/3 so với thép cacbon thấp. Do đó nhiệt thoát ra khỏi khu vực mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt là chậm hơn so với thép cacbon thấp.
Cần chú trọng khi hàn đính, khe hở giữa hai tấm kim loại cần phải đều nhau dọc theo chiều dài mối ghép. Ngƣợc lại thì sẽ ảnh hƣởng đến độ ngấu của mối hàn và biến dạng của liên kết hàn.
Hàn đính cần tiến hành lần lƣợt tại hai đầu của mối ghép hàn, sau đó hàn đính vào giữa mối ghép hàn theo trình tự nhƣ vậy cho hết toàn bộ mối ghép. Nếu hàn đính bắt đầu từ một đầu của mối ghép hàn và kết thúc ở đầu còn lại thì các tấm phôi
sẽ có xu hƣớng kéo vào nhau và làm cho khe hở giữa hai tấm sẽ bị giảm ở cuối mối ghép hàn.
Hình 4.4. Trình tự thực hiện mối hàn đính [19]
Về khoảng cách giữa các mối hàn đính khi hàn thép không rỉ cần đƣợc rút ngắn hơn so với khi hàn thép cacbon. Bởi vì khả năng giãn nở nhiệt của thép không rỉ lớn hơn thép cacbon thấp. Khoảng cách giữa các mối hàn đính đƣợc cho trong bảng 5-3:
Bảng 4.3: Khoảng cách giữa các môi hàn đính [19]
Chiều dày tấm thép (mm)
Khoảng cách mối hàn
đính mm
Chiều dài mối hàn đính
(mm)
1 – 1,5 30 - 60 5 - 7
2 - 3 70 - 120 5 - 10
4 - 6 120 - 160 10 - 15
> 6 150 - 200 20 - 30
Hàn đính cần tiến hành hết sức cẩn thận, vấn đề này cần thực hiện tuần tự là hàn, mài, hàn. Nếu mối hàn đính đƣợc thực hiện trên cùng một phía với đƣờng hàn thì hai đầu của mối hàn đính cần phải mài vát xuống hoặc đƣợc mài đi trong quá trình hàn.
Hình 4.5. Mài vát điểm đầu và cuối mối hàn đính
4.1.2.2 Xử lý biến dạng hàn
Khi hàn thép không rỉ thì biến dạng khi hàn sẽ lớn hơn khi hàn thép cacbon thấp. Vì vậy để giảm biến góc khi hàn giáp mối tấm cần chú ý một số vấn đề sau:
- Khi thiết kế mối ghép hàn thì nên sử dụng vát cạnh chữ X thay vì chữ V.
Hình 4.6. Mối hàn vát cạnh chữ X
- Biến dạng do co ngang của mối hàn giáp mối giảm khi giảm khe hở của mối ghép hàn.
- Biến dạng góc mối hàn giáp mối của mối hàn giảm khi góc vát giảm. - Biến dạng giảm khi bố trí thứ tự đƣờng hàn và kỹ thuật hàn hợp lý.
Hình 4.7. Bố trí thứ tự đƣờng hàn hợp lý [19]
- Sử dụng kẹp, đồ gá khi hàn, số lƣợng mối hàn đính đảm bảo cũng làm biến dạng hàn giảm.
Hình 4.8. Kẹp chặt khi hàn [29] - Sử dụng phƣơng pháp biến dạng ngƣợc.
Có nghĩa là sau khi hàn mối hàn giáp mối tấm thì liên kết hàn sẽ bị biến dạng góc một góc β. Vì vậy sau khi hàn đính xong tiến hành tạo biến dạng có chiều ngƣợc với biến dạng do quá trình hàn gây ra.
a. Trƣớc khi hàn b. Sau khi hàn
Hình 4.9. Tạo biến dạng ngƣợc khi hàn [19]
Biến dạng góc của mối hàn giáp mối tấm phụ thuộc vào phƣơng pháp công nghệ và dạng liên kết hàn.
Bảng 4.4: Biến dạng góc khi hàn giáp mối [2]
Phƣơng pháp hàn Dạng liên kết hàn Biến dạng
góc Hàn dƣới lớp thuốc với đệm đồng 00 Hàn điện hồ quang tay (hai lớp hàn) 0020’ Hàn điện hồ quang tay (bốn lớp hàn) 5030’ Hàn điện hồ quang tay (nhiều lớp hàn) 11030’ Hàn ngọn lửa 108’
Đây là phƣơng pháp tác giả chọn để xử lý biến dạng trong quá trình chế tạo mẫu hàn hai vật liệu. Góc độ biến dạng góc đƣợc xác định bằng thực nghiệm, có nghĩa là khi hàn đính không tạo biến dạng ngƣợc (phôi mẫu phẳng) sau khi hàn xong mẫu hàn biến dạng góc một góc β. Kết hợp với giá trị biến dạng góc bảng 5-4 từ đó xác định góc biến dạng ngƣợc trƣớc khi hàn.
Hình 4.10. Xác định góc biến dạng ngƣợc β bằng thực nghiệm.
4.1.3 Hàn
4.1.3.1 Năng lƣợng đƣờng (Heat input).
- Khi hàn các loại vật liệu (thép cacbon, thép không gỉ, nhôm, đồng), năng lƣợng đƣờng là một thông số rất quan trọng. Thông số này quyết định đến ứng suất, biến dạng, cấu trúc kim loại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt.
- Năng lƣợng đƣờng q đƣợc tính bởi công thức sau: [19] 60 ( / ) 1000 h h h U I q kJ mm V [5.3] Trong đó: - Uh: là điện áp hàn (V) - Ih: là cƣờng độ dòng điện hàn (A) - Vh: là vận tốc hàn (mm/phút)
Đối với thiết bị hàn TIG thì Uh và Ih là hai thống số phụ thuộc lẫn nhau theo đƣờng đặc tính ngoài của máy chứ không phải là hai thông số độc lập nhau. Khi hàn thép cacbon thấp – thép không gỉ với vật liệu hàn là dây hàn thép không gỉ 309L đƣờng kính dây hàn phụ 2,4mm thì các thông số đƣợc nhà sản xuất đƣa ra nhƣ sau: [19]
+ Năng lƣợng đƣờng lớn nhất: q = 1.5 kJ/mm + Cƣờng độ dòng điện hàn: Ih = 130-160 A + Điện áp hàn: Uh = 16-18 V
Dựa vào các thông số đó chúng ta tiến hành điều chỉnh vận tốc hàn và hàn thử trên các mẫu thử với thiết bị hàn TIG Daihen OTC Accutig 300P, từ đó rút ra các thông số hàn hợp lý nhất và trị số năng lƣợng đƣờng tối ƣu không vƣợt quá trị số lớn nhất (1.5 kJ/mm).
4.1.3.2 Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn (Tip- interpass temperature)
Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn là nhiệt độ lƣu kim loại trong khoảng thời gian giữa hai đƣờng hàn liên tiếp nhau khi hàn nhiều lớp. cũng nhƣ nhiệt độ nung nóng sơ bộ, nhiệt độ giữa các đƣờng hàn thƣờng nằm trong khoảng giữa giá trị tối đa và giá trị tối thiểu. Giá trị tối đa không đƣợc phép vƣợt quá nhiệt độ bắt đầu xuất hiện mactenzit của thép hoặc kim loại mối hàn.
Đối với dây hàn phụ ER319L thì nhiệt độ lớn nhất giữa các đƣờng hàn Tip1max
= 1500C [19].
Đối với kim loại cơ bản thép là thép không gỉ austenit thì nhiệt độ lớn nhất giữa các đƣờng hàn Tip2max
= 1200C [16].
Vì vậy trong quá trình hàn, nhiệt độ lớn nhất giữa các đƣờng hàn đƣợc áp dụng là Tipmax = 1200C.
4.1.3.3 Trình tự bố trí các lớp hàn và đƣờng hàn.
Để hoàn thiện một mối hàn vát cạnh chữ V, thông thƣờng bố trí 3 lớp hàn: - Lớp chân.
- Lớp đắp. - Lớp phủ.
Tại từng lớp hàn việc bố trí thứ tự các đƣờng hàn là rất quan trọng, từ những phân tích ở chƣơng 3 có một số chú ý khi bố trí thứ tự đƣờng hàn nhƣ sau:
Thứ nhất: Khuếch tán có thể làm tăng lƣợng cacbon và ôxy trong vùng ảnh hƣởng nhiệt. Cùng với các tạp chất có hại, chúng tạo thành các cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp. Vì vậy khi hàn trong một lớp hàn bố trí hai đƣờng hàn thì đƣờng hàn phía tấm thép cacbon sẽ đƣợc hàn trƣớc, nhƣ vậy đƣờng hàn này sẽ nhƣ một lớp đệm ngăn không cho cacbon từ tấm thép cacbon khuếch tán quá nhiều vào
Thứ hai: Giảm trị số của các thông số hàn nhƣ năng lƣợng đƣờng (dòng điện hàn, điện áp hàn), do vậy trong quá trình hàn khi hàn cần giảm trị số cƣờng độ dòng điện hàn. Khi hàn các đƣờng hàn phía tấm thép cacbon sử dụng dòng điện hàn nhỏ hơn so với đƣờng hàn phía tấm thép không gỉ.
Thứ ba: Giảm tiết diện mối hàn, lƣợng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn. Để giảm tiết diện mối hàn và lƣợng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn chúng ta cần giảm đƣờng kính dây hàn phụ, khống chế việc dao động của mỏ hàn không lớn hơn ba lần đƣờng kính que hàn, nhất là khi hàn các đƣờng hàn phía tấm thép cacbon.
Từ đó tác giả bố trí các lớp hàn và thứ tự các đƣờng hàn nhƣ hình 5-11: Hình 4.11. Bố trí các lớp hàn và thứ tự hàn các đƣờng hàn Trong hình 4.11: Lớp chân: đƣờng hàn n. Lớp đắp: đƣờng hàn n+1,n+2,n+3 và n+4. Lớp phủ: đƣờng hàn n+5,n+6 và n+7 . 4.1.4 Kiểm tra
- Kiểm tra ngoại dạng (VT).
- Kiểm tra mẫu hàn bằng phƣơng pháp chụp ảnh phóng xạ (RT). - Kiểm tra mẫu hàn bằng phƣơng pháp siêu âm (UT).
- Kiểm tra mẫu hàn bằng phƣơng pháp kéo (TT). - Kiểm tra mẫu hàn bằng phƣơng pháp uốn (BT)
4.1.5 Trang thiết bị hàn
Thiết bị hàn để phục vụ cho quá trình chế tạo mẫu hàn là máy hàn TIGAC/DC Hitachi Inverter 300GP của hãng của hãng Hitachi – Nhật Bản, các thông số kỹ thuật của máy đƣợc cho trong bảng 5-5.
Bảng 4.5:Thông số kỹ thuật cơ bản của máy hàn TIGAC/DC Hitachi Inverter 300GP của hãng Hitachi [30]
Thông số Giá trị
Nguồn điện 3 pha 380V, 50/60HZ Điều chỉnh dòng hàn: DC AC 5A/10.2V….. 300A/22V 20A/17V ….300A/17V Hiển thị Đồng hồ số
Điện áp không tải 78V
Hàn xung Đầy đủ khi hàn AC và DC
Hiệu suất máy 80%