khi thực hiện thử kéo nhằm xác định que hàn/dây hàn đáp ứng các cơ tính mà tiêu chuẩn quy định để cấp chứng chỉ hợp cách cho loại vật liệu hàn đó.
Mẫu kiểm tra (h. 3.45) đƣợc gia công từ kim loại mối hàn theo hƣớng song song với trục dọc mối hàn. Chiều dài đo của mẫu kiểm tra phải hoàn toàn là kim loại mối hàn.
Hình 3.45. Mẫu thử kéo kim loại đắp: a) hình dáng; b) phê chuẩn WPS; c) phân loại điện cực hàn.
3.3.4. Thử uốn tĩnh uốn công nghệ
Nhóm kiểm tra này đƣợc thiết kế để xác định tính toàn vẹn hoặc mức độ hoàn thiện của kim loại. Thử uốn là quy trình thử công nghệ đƣợc áp dụng rộng rãi cho các liên kết hàn giáp mối khi đánh giá quy trình và sát hạch thợ hàn. Ở Đức thử uốn công nghệ đã đƣợc tiêu chuẩn hóa trong DIN 50121, còn theo Tiêu chuẩn Châu Âu là DIN EN 910.
Sau khi hàn các phần tử, ngƣời ta cắt ra các mẫu và đem kiểm tra nhằm xác định xem vật hàn có chứa khuyết tật không. Tùy từng trƣờng hợp mà tiến hành (h.
3.46):
Uốn mặt: mẫu uốn lấy sao cho mặt mối hàn chịu kéo khi uốn.
Uốn chân/ đáy: mẫu uốn lấy sao cho đáy mối hàn chịu kéo khi uốn.
Uốn cạnh: Khi mẫu thử dày hơn 10 mm thì tiến hành uốn cạnh, mẫu uốn lấy sao cho mặt bên mối hàn chịu kéo khi uốn. Phép thử uốn cạnh cũng phát hiện đƣợc khuyết tật rất nhỏ tại vũng hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt theo chiều dày mối hàn.
Uốn dọc: kéo mặt và đáy mối hàn. Thử uốn dọc đƣợc dùng để kiểm tra thời gian làm việc tin cậy của mối hàn giáp mối theo các loại vật liệu khác nhau khi ứng suất dọc theo mối hàn.
Hình 3.46. Mẫu thử uốn theo AWS: a) & b) mối hàn ngang; c) mối hàn dọc. Khi thử ngƣời ta xác định góc uốn tại thời điểm xuất hiện vết nứt đầu tiên ở vùng chịu kéo của mẫu. Góc uốn đó đặc trƣng cho biến dạng dẻo của liên kết hàn (h. 3.47a).
Hình 3.47. Góc uốn và đồ gá uốn
Thử uốn thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các loại đồ gá uốn. Đồ gá thử uốn dẫn hƣớng tiêu chuẩn đƣợc chỉ ra trên hình 3.47b, gồm chày (cũng đƣợc gọi là cốt, hoặc búa đập) và đế khuôn định hình (cối) tƣơng ứng để biến mẫu thẳng thành dạng chữ U-. Bề mặt chày và đế khuôn đƣợc gia công tinh để giảm ma sát.
Bảng 3.2. Thông số hình học đồ gá thử uốn
Giới hạn chảy [MPa] A [mm] B [mm] C [mm] D [mm]
345 Từ 345 đến 620 620 38,1 50,8 63,5 19,0 25,4 31,8 60,3 73,0 85,7 30,2 36,6 42,9
Để tiến hành thử uốn, ngƣời ta đặt mẫu lên vai đỡ khuôn (có con lăn hoặc không) với phía chịu kéo quay xuống dƣới. Chày đi xuống tác dụng tải trọng ép lên khuôn làm cho mẫu bị uốn đi tối đa 180o có dạng chữ U-. Sau đó lấy mẫu thử ra để đánh giá.
Loại đồ gá dẫn hƣớng thử uốn khác đƣợc gọi là đồ gá bọc quanh. Nó mang tên này vì mẫu chịu uốn đƣợc quấn quanh chốt cố định (h. III.24). Giá trị kích thƣớc A lấy 1-1/2; 2; 2-1/2 (in.).
Hình 3.48. Đồ gá uốn bọc quanh.
Với bất kì phép thử uốn nào, các mẫu phải đƣợc chuẩn bị cẩn thận để tránh sai số thử. Nếu có mài hoặc phun cát làm sạch trên bề mặt chịu ứng suất kéo thì cần định hƣớng để cùng hƣớng khi uốn sao cho không tạo thành rãnh cắt ngang (tập trung ứng suất) có thể bị phá hủy sớm. Những mép của mẫu cũng đƣợc lƣợn hoặc vát để giảm tập trung ứng suất. Khi ép đột ngột dễ sinh ra nứt hoặc phá hủy mẫu, do vậy tốc độ ép không nên quá lớn (<15 mm/min). Giá trị góc khi vết nứt đầu tiên xuất hiện đƣợc đo bằng thƣớc chuyên dùng. Kĩ thuật thử uốn liên kết hàn có ảnh
hƣởng lớn đến góc uốn đo đƣợc. Trong trƣờng hợp này các khuyết tật nhƣ rỗ, lẫn xỉ, không ngấu, cháy lẹm… làm sai lệch góc uốn. Góc uốn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Mức độ biến dạng và chất lƣợng vật kiểm nhƣ kích thƣớc, chất lƣợng bề mặt, tỉ số giữa độ bền kim loại mối hàn với độ bền kim loại cơ bản.
Bố trí và thực hiện quy trình thử nhƣ vị trí đáy, khoảng cách các gối đỡ, đƣờng kính chày ép, tốc độ biến dạng.
Việc chuẩn bị mẫu liên kết hàn ống đƣờng kính lớn cũng gần giống với hàn tấm, nhƣng cần chú ý đến sự khác nhau giữa hàn theo đƣờng sinh với hàn theo chu vi (h. III.25). Đối với các dải mẫu cắt ra từ ống, phía bề mặt đối diện với chày có thể đƣợc mài phẳng để loại trừ khả năng bị uốn theo hƣớng ngang vuông góc với hƣớng chính.
Hình 3.49. Mẫu ống thử uốn khi hàn theo chu vi.
Trƣờng hợp mối hàn ống (dọc hay ngang) – nếu ống có đƣờng kính nhỏ không thể cắt thành từng dải riêng thì chọn mẫu bằng cách để nguyên để nén bẹp. Mức độ biến dạng dẻo đƣợc xác định bằng khoảng cách giữa hai mặt ép nhƣ (h. III.26). Giá trị b đo đƣợc khi xuất hiện vết nứt đầu tiên ở mối hàn.
Hình 3.50. Sơ đồ thử uốn bằng nén bẹp
Kết quả đƣợc chấp nhận với góc uốn tiêu chuẩn là không có nứt, rỗ ở mặt uốn chịu kéo; cũng có thể cho phép nứt ngắn hơn 3 mm.
Khả năng chấp nhận của mẫu thử uốn thƣờng đƣợc phán xét trên cơ sở dựa vào kích thƣớc và số bất liên tục đƣợc phát hiện trên bề mặt chịu kéo. Các quy chuẩn (code) hoặc thông số chi phối sẽ chỉ định những tiêu chí chấp nhận hay loại bỏ. Báo cáo kết quả:
Kim loại cơ bản và vật liệu hàn.
Chiều dày và kích thƣớc của mẫu thử.
Hƣớng uốn (đáy, mặt hoặc bên).
Nhiệt độ thử.
Góc uốn; đo góc uốn nếu bị phá hủy trƣớc 180o Đƣờng kính chày uốn.
Bề mặt liên kết sau khi uốn (loại và vị trí khuyết tật nếu có).
a. Thử b g y mối hàn giáp mối nick- break tests)
Phƣơng pháp này đánh giá tính toàn vẹn của mối hàn bằng cách phá hủy mẫu qua mối hàn để có thể kiểm tra bề mặt gãy xem có khuyết tật không. Phép thử này đƣợc sử dụng gần nhƣ chỉ trong công nghiệp đƣờng ống đƣợc mô tả trong API 1104. Có thể thay thế (hoặc bổ sung) cho thử bằng chụp ảnh bức xạ. Chỉ dùng cho phê chuẩn thợ hàn, không dùng cho phê chuẩn quy trình hàn.
Mẫu thử đƣợc cắt theo chiều vuông góc với mối hàn. Trên mẫu cƣa/ bào một rãnh vuông hoặc chữ V- sâu khoảng 2 mm dọc theo đáy và mặt mối hàn sao cho khi thử mẫu bị gãy ở giữa mối hàn (3.51).
Hình 3.51. Mẫu bẻ gãy mối hàn giáp mối
Ngay khi mẫu đƣợc cƣa xong, ngƣời ta phá hủy nó bằng cách kéo trên máy thử kéo, đập bằng búa vào đúng đƣờng tâm. Kiểm tra bằng mắt xem có khuyết tật trên bề mặt gãy (không ngấu đáy, lẫn xỉ, rỗ khí …) hay không. Nếu có thì đo kích thƣớc của chúng rồi so sánh với giới hạn quy chuẩn để quyết định chấp nhận hay loại bỏ. Báo cáo kết quả (nick break tests):
Chiều dày kim loại cơ bản.
Chiều rộng mẫu thử.
Vị trí vết gãy.
Hình dạng liên kết sau khi gãy.
Chiều sâu ngấu.
Khuyết tật trên bề mặt gãy.
b. Thử b g y mối hàn góc
Phép thử bẻ gãy liên kết tại mối hàn góc là phƣơng pháp để đánh giá độ bền mối hàn, quan sát bề mặt gãy (chỉ dùng cho phê chuẩn thợ hàn, không dùng cho phê chuẩn quy trình hàn). Nó có thể thay cho thử tổ chức thô đại. Mẫu thử (h. III.28a), gồm hai tấm với liên kết chữ T- và hàn đắp ở phía ngoài mối ghép đƣợc cắt theo chiều dài cần thiết (thƣờng cắt bốn cái với chiều dài khoảng 60 mm).
Cƣa hoặc bào rãnh vuông hoặc chữ V sâu khoảng 2 mm dọc chiều dài mối hàn góc. Kim loại cơ bản, kim loại mối hàn và các thông số hàn phải tuân thủ chặt chẽ quy trình. Phƣơng pháp định vị mẫu và chiều tác dụng lực đƣợc nêu trên (h.
Hình 3.52. Mẫu thử bẻ gãy mối hàn và phƣơng pháp phá hủy
Bề mặt phá hủy (mặt gãy) đƣợc kiểm tra để xác định các khuyết tật trong nhƣ lẫn xỉ, không ngấu và rỗ xốp. Tiếp theo bề mặt phá hủy đƣợc kiểm tra để chắc chắn rằng mối hàn nóng chảy đến đáy liên kết và thấu hoàn toàn đến kim loại cơ bản và rỗ khí nhỏ hơn 3/32 in. theo kích thƣớc lớn nhất (AWS D1.1). Quá trình đƣợc thực hiện ở xƣởng và hiện trƣờng, cùng với kiểm tra ngoại dạng chúng dùng để đánh giá nhanh chất lƣợng hàn.
Báo cáo kết quả:
Chiều dày kim loại cơ bản.
Chiều cao và cạnh mối hàn góc.
Vị trí gãy.
Hình dạng liên kết sau khi gãy.
Chiều sâu ngấu.
Chƣơng 4
THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 4.1 QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN MẪU HÀN GIÁP MỐI
Trong quá trình khảo sát tác giả thấy có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến năng suất hàn:Cƣờng độ dòng điện( I ), Vận tốc hàn( V ), Đƣờng kính que hàn bù(Ø) , đây là những yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất đến năng suất . Vì vậy tác giả chỉ xét yếu tố này ảnh hƣởng đến năng suất trong quà trình thí nghiệm
Hiện nay trên thị trƣờng đƣờng kính que hàn bù có 3 loại chính: Ø1.6 mm, Ø2,4mm, Ø3.2 mm. , tác giả sẽ tiến hành thí nghiệm hàn với 3 loại đƣờng kính que hàn bù nhƣ trên với quy trình hàn sau:
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