a. Chu trình nhiệt hàn và tính chất vùng ảnh hƣởng
2.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
2.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu công nghệ hàn thép cacbon và thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn TIG. Đây là liên kết hàn giáp mối vát cạnh chữ V, trên hai loại vật liệu khác nhau về cấu trúc, cơ tính, lý tính và hóa tính.
Vật liệu đƣợc chọn để thực hiện nghiên cứu trong đề tài là thép tấm cacbon A516 Grade 65 và thép tấm không gỉ austenit A240 316L. Đây là hai mác thép đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị có yêu cầu cao về tính chịu nhiệt và chống mòn [20].
Hình 2.1: Liên kết hàn giáp mối thép cacbon – thép không gỉ
2.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu:
- Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon A516 Grade 65 và thép không gỉ austenit A240 316L.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hƣởng đến chế độ hàn.
- Tìm hiểu các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng mối hàn: nứt, độ ngấu, độ thấu, lẫn Vôfram, cháy chân
- Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã đƣợc xác định (chế độ hàn) để đạt đƣợc năng suất cao.
- Phƣơng án hàn “giáp mối vát cạnh chữ V hàn hai phía” đã đƣợc lựa chọn để thực hiện. Đây là phƣơng pháp phổ biến khi hàn các kết cấu tấm, vỏ với ƣu điểm là quá trình hàn có thể thực hiện một cách dễ dàng, dễ áp dụng, thẩm mỹ cao và cho phép quản lý chất lƣợng mối hàn tốt.
Hình 2.2. Mối hàn giáp mối vát cạnh chữ V hàn hai phía.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Hiện tại, hàn hai kim loại thép cácbon – thép không gỉ với các vật liệu phổ thông trên thị trƣờng (A516 Grade 65 – A240 316L) mà chế độ hàn chƣa đƣợc đề cập một cách cụ thể. Trong thực tế, thợ hàn thực hiện công việc hàn dựa vào kinh
nghiệm bản thân nên chất lƣợng hàn không ổn định, năng suất hàn không cao. Do vậy, để xác định đƣợc chế độ hàn cho năng suất cao, chất lƣợng đảm bảo và ổn định đáp ứng đƣợc tính công nghệ và tính kinh tế tác giả lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, cụ thể là:
- Nghiên cứu tài liệu để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nƣớc, từ đó xác định những nội dung cần thiết mà đề tài cần giải quyết. đồng thời khảo sát trang thiết bị sẵn có ở trong nƣớc để phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài.
- Nghiên cứu thực nghiệm để xác định chế độ hàn cho phép hàn thép cácbon – thép không (A516 Grade 65 – A240 316L) đạt các yêu cầu về chất lƣợng, khảo sát các thông số ảnh hƣởng đển chế độ hàn để tìm đƣợc chế độ hàn cho năng suất cao.
Chƣơng 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP HÀN THÉP CACBON VÀ THÉP KHÔNG GỈ
3.1.1 Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn nổ
(Explosive Welding Process)
Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn nổ.
Hình 3.1. Hàn liên kết thép cacbon - thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn nổ Ƣu điểm của phƣơng pháp hàn nổ:
- Thích hợp với các liên kết hàn chồng cho các liên kết dạng tấm, thanh, ống để chế tạo vật liệu nhiều lớp nhƣ Bimetal, Trimetal
- Hàn đƣợc các liên kết có vật liệu khác nhau về cơ tính cũng nhƣ thành phần hóa học nhƣ: nhôm - thép, thép cacbon - thép không gỉ và một số hợp kim đặc biệt khác.
- Chất lƣợng mối hàn tốt và năng suất cao vì thời gian hàn cực nhanh. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp hàn nổ:
- Biến dạng cơ – nhiệt là rất lớn nên sau khi hàn xong phải qua công đoạn cán phẳng hoặc là phẳng.
- Phƣơng pháp này phát xạ độc hại (khói độc, tiếng ồn lớn), môi trƣờng sản xuất không an toàn và thƣờng đƣợc thực hiện trong hầm nổ chuyên dụng.
- Không hàn đƣợc các liên kết giáp mối nhƣ luận văn đề cập. - Rất tốn kém khi xây dựng phòng nổ chuyên dụng.
3.1.2 Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma sát
Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tƣơng đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn. Khi 2 bề mặt của vật thể chuyển động tƣơng đối với nhau dƣới tác dụng của lực ép thì năng lƣợng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng. Ma sát trong hàn là ma sát khô.
a) Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma sát
ngoáy (Friction Stir Welding Process)
Hai bề mặt hàn đƣợc đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, Với tốc độ quay cực lớn cùng với lực ép xuống đủ mạnh của đầu ngoáy, là cho vùng kim loại cơ bản tiếp xúc với đầu ngoáy sinh ra một lƣợng nhiệt đủ để cho kim loại tại hai mép hàn chuyển sang trạng thái dẻo, nhờ đó mà đầu ngoáy có thể cắm sâu vào hết chiều dày của chi tiết hàn và sau khi đầu ngoáy di chuyển hết chiều dài của đƣờng hàn thì sẽ tạo ra liên kết hàn giáp mối giữa thép cacbon với thép không gỉ. Gờ vai phía trên của đầu ngoáy sẽ làm nhiệm vụ ép vùng kim loại dẻo lại với nhau để tạo nên liên kết hàn. Nguyên lý của quá trình hàn đƣợc thể hiện trên hình 3-2.
Hình 3.2. Hàn liên kết thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma sát ngoáy
Hàn ma sát ngoáy đƣợc ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đƣờng ống, tuy nhiên phƣơng pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng.
- Thích hợp để hàn giáp mối, hàn chồng các chi tiết dạng tấm có chiều dày lên tới 25 mm.
- Cơ tính mối hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ và khuyết tật mối hàn gần nhƣ không có.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa, thời gian hàn rất nhanh vì vậy năng suất hàn cao.
- Hàn đƣợc các liên kết có vật liệu khác nhau về cơ tính cũng nhƣ thành phần hóa học nhƣ: nhôm với thép, thép cacbon với thép không gỉ và một số hợp kim đặc biệt khác.
- Phƣơng pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trƣờng. - Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của ngƣời thợ. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp hàn ma sát ngoáy.
- Bề mặt mối hàn bị lõm so với kim loại cơ bản, có hố lõm rất sâu ở cuối đƣờng hàn cho nên cần phải làm tai công nghệ khi hàn. Kích thƣớc và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất .
- Trong quá trình hàn chi tiết cần phải kẹp rất chặt, không hàn đƣợc liên kết hàn phức tạp
- Thiết bị đắt tiền, chủ yếu đƣợc thiết kế dƣới dạng trạm hàn robot không thích hợp khi hàn ngoài công trƣờng. Đặc biệt hiện nay ở Việt Nam chƣa có bất kỳ một thiết bị hàn ma sát ngoáy nào nên quá trình hàn này không đƣợc lựa chọn nghiên cứu trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay.
Một biến thể của hàn ma sát là hàn ma sát quay (Inertia Friction Welding Process). Trong trƣờng hợp này, một chi tiết đƣợc kẹp chặt vào mâm cặp và quay với vận tốc rất lớn, chi tiết còn lại đƣợc kẹp chặt trên giá có thể di chuyển theo chiều dọc và đƣợc nối với một piston thủy lực để tạo lực ép. Khi hàn hai chi tiết đƣợc chuyển động tƣơng đối với nhau với tốc độ rất cao cùng với lực ép lớn sẽ làm cho bề mặt tiếp xúc giữa chúng sinh ra một lƣợng nhiệt đủ lớn làm cho phần kim loại cơ bản ở chỗ tiếp xúc chuyển sang trang thái dẻo sau đó ép hai chi tiết lại với nhau, kim loại ở hai mép hàn khuếch tán vào nhau tao thành mối hàn hình 2-3.
Hình 3.3. Hàn liên kết thép cacbon - thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma sát quay Ƣu điểm của phƣơng pháp hàn ma sát quay:
- Thích hợp để hàn các chi tiết dạng trụ nhƣ trục, ống.
- Cơ tính mối hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ và khuyết tật mối hàn gần nhƣ không có.
- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa, thời gian hàn rất nhanh vì vậy năng suất hàn cao.
- Hàn đƣợc các liên kết có vật liệu khác nhau về cơ tính cũng nhƣ thành phần hóa học nhƣ: nhôm với thép, thép cacbon với thép không gỉ và một số hợp kim đặc biệt khác.
- Phƣơng pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trƣờng. - Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của ngƣời công nhân.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp hàn ma sát quay. - Mối hàn lồi ba via mất công cắt bỏ (gia công cơ). - Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm
- Thiết bị đắt tiền, chủ yếu đƣợc thiết kế dƣới dạng trạm hàn CNC không thích hợp khi hàn ngoài công trƣờng.
- Kích thƣớc của chi tiết hàn bị hạn chế - Không hàn đƣợc kết cấu quá phức tạp
3.1.3 Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp điện tiếp xúc
Quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance Spot Welding Process) cũng đƣợc áp dụng để hàn thép cacbon với thép không gỉ. Trong trƣờng hợp này sử dụng dòng điện từ nguồn hàn đi qua điện cực đến chi tiết hàn và xuyên qua bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết hàn. Do điện trở tiếp xúc giữa hai chi tiết hàn khá lớn nên tại đây một lƣợng nhiệt sinh ra đủ để cho vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo, sau đó nhờ lực ép giữa hai điện cực sẽ ép hai tấm vật liệu này lại với nhau, kim loại tại nơi tiếp xúc khuếch tán vào nhau tạo thành mối hàn hình 3-4.
Hình 3.4. Hàn liên kết thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn điện tiếp xúc điểm điện trở Ƣu điểm của phƣơng pháp hàn điện tiếp xúc điểm điện trở:
Biến dạng nhiệt nhỏ. Năng suất cao, dể cơ khí hóa và tự động hóa.
Hàn đƣợc các liên kết có vật liệu khác nhau về cơ tính cũng nhƣ thành phần hóa học nhƣ: nhôm với thép, thép cacbon với thép không gỉ.
Phƣơng pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trƣờng.
Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của ngƣời thợ. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp hàn điện tiếp xúc điểm điện trở:
Chỉ áp dụng cho các liên kết hàn chồng, không áp dụng cho các liên kết hàn giáp mối và liên kết chữ T
Kích thƣớc và chiều dày của chi tiết hàn bị hạn chế bởi công suất và tầm với của máy. Không hàn đƣợc những liên kết hàn phức tạp.
3.1.4 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn hồ quang 3.1.4.1 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn MIG
So với hàn hồ quang tay (SMAW) thì quá trình hàn MIG có thể kiểm soát chế độ nhiệt hàn và điều chỉnh trong quá trình hàn tốt hơn nhiều nhƣng vẫn có nhiều hạn chế hơn so với hàn TIG. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu và ứng dụng hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng quá trình hàn MIG gặp nhiều khó khăn. Một số tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu lý thuyết. Nguyên lý quá trình hàn MIG và sản phẩm hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng đƣợc thể hiện trong hình 3-5.
Hình 3.5. Hàn liên kết thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn MIG
3.1.4.2 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn TIG
Trong các phƣơng pháp hàn hồ quang xét về mặt năng suất thì phƣơng pháp hàn TIG có năng suất thấp nhƣng bù lại thì chất lƣợng mối hàn khi thực hiện bằng phƣơng pháp hàn TIG rất cao bởi các lý do sau: thứ nhất việc điều chỉnh và kiểm soát các thông số hàn rất tốt đặc biệt là cƣờng độ dòng điện hàn quyết định đến nguồn nhiệt đầu vào (Heat input) trong quá trình hàn, thứ hai là việc chọn lựa kim loại phụ phù hợp với quá trình hàn hai vật liệu để đạt yêu cầu về cơ tính và hóa tính khi hàn TIG là một lựa chọn thích hợp nhất trong điều kiện về thiết bị và công nghệ của chúng ta hiện nay. Nguyên lý phƣơng pháp hàn TIG và sản phẩm hàn thép cacbon – thép không gỉ đƣợc thể hiện trong hình 3-6.
Hình 3.6. Nguyên lý phƣơng pháp hàn TIG và sản phẩm hàn thép cacbon – thép không gỉ
3.2 KHUYẾT TẬT MỐI HÀN
Trong quá trình hàn, một số khuyết tật sau thƣờng xuất hiện trong mối hàn nhƣ sau:
3.2.1 Ngậm xỉ (Solid inclusions)
Ngậm xỉ là hiện tƣợng các chất rắn bên ngoài (không phải là kim loại mối hàn) bị kẹt trong kim loại mối hàn [21], đây là loại khuyết tật rất dễ xuất hiện trong mối hàn. Xỉ hàn có thể hình thành từ thuốc bọc que hàn, thuốc hàn (flux), các Oxide hoặc các hỗn hợp kim loại khác trong quá trình hàn, vì lí do nào đó chúng không thoát ra khỏi bễ hàn khi kim loại mối hàn đông đặc, bị kẹt lại trong kim loại mối hàn. Các xỉ hàn này có thể nằm bên trong mối hàn (hình 3-7a) hoặc nằm trên bề mặt mối hàn (hình 3-7b) [21].
Hình 1: Ngậm xỉ bên trong đƣờng hàn
a. Ngậm xỉ bên trong đƣờng hàn b. Ngậm xỉ bên trên đƣờng hàn
Mối hàn có thể bị ngậm xỉ thành một rãnh dài còn gọi là ngậm xỉ dạng đƣờng hình 3-9a, xỉ cũng có thể tập trung thành các đoạn ngắn hay các lỗ chứa xỉ hình 3-9b, các lỗ và các đoạn xỉ này có thể tập trung hay phân bố trong đƣờng hàn.
Tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1 [21] đã tiến hành phân loại các khuyết tật ngậm xỉ thành các dạng sau:
Hình 3.8. Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [20] Trong thực tế, các khuyết tật ngậm xỉ thƣờng xuất hiện ở các vị trí sau:
a) Ngậm xỉ trên bề mặt b) Ngậm xỉ bên trong
Hình 3.9. Các vị trí thƣờng xuất hiện khuyết tật ngậm xỉ
Các phƣơng pháp hàn phổ biến hiện nay có thể dẫn đến khuyết tật ngậm xỉ nhƣ:
Đầu mối hàn Giữa mối hàn
Chân mối hàn
Điểm cuối mối hàn Cạnh mép vát
- Phƣơng pháp hàn SMAW có thể gây ra khuyết tật ngậm xỉ từ thuốc bọc que hàn nóng chảy (slag), ngậm các ôxít.
- Phƣơng pháp hàn GTAW có thể gây ra các khuyết tật ngậm các oxít, lẫn Tungsten, ngậm đồng và ngậm các kim loại khác.
- Phƣơng pháp hàn SMAW, SAW và FCAW có thể gây ra khuyết tật ngậm thuốc hàn (Flux), các ôxít, ngậm đồng và ngậm các kim loại khác.
- Phƣơng pháp hàn GMAW có thể gây ra khuyết tật ngậm ôxít, đồng, các kim loại khác
3.2.2 Thiếu ngấu (Lack of fusion)
Mối hàn thiếu ngấu là hiện tƣợng kim loại mối hàn và kim loại cơ bản (basic metal) hoặc giữa các kim loại mối hàn ở các lớp không liên kết lại với nhau. Đây là loại khuyết tật nghiêm trọng trong liên kết hàn. Ngoài ảnh hƣởng không tốt nhƣ rỗ khí và ngậm xỉ, nó còn là nguyên nhân chính dẫn đến các vết nứt gây phá hủy liên kết khi làm việc. Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1[20] phân chia các khuyết tật thiếu ngấu thành các dạng sau:
Hình 3.10. Phân loại khuyết tật thiếu ngấu [21]
a. Thiếu ngấu cạnh: là hiện tƣợng kim loại mối hàn thiếu liên kết với cạnh mép vát kim loại cơ bản. Khuyết tật này có thể đƣợc phát hiện bằng các biện pháp cảm vát kim loại cơ bản. Khuyết tật này có thể đƣợc phát hiện bằng các biện pháp cảm quan. Khuyết tật đƣợc phát hiện trên phim X quang bằng vùng màu đen thẳng liên