Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép cacbon

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn nhằm tập trung nghiên cứu qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon với thép không gỉ austenit A240. Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến chế độ hàn, năng suất hàn. Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã được xác định nhằm đạt được năng suất hàn cao. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép cacbon

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HÀ ANH HUY - LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 2016 TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT HÀN KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đồng Nai, 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HÀ ANH HUY NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT HÀN KHI HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 6052013 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN
1 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn...................................................................................... I Mục lục........................................................................................... II Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt............................................. VIII Danh mục bảng biểu....................................................................... XI Danh mục hình vẽ và đồ thị............................................................ XII MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu............................................. 2 2 Phạm vi nghiên cứu....................................................................... 3 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn................................... 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 Giới thiệu về kim loại hàn.............................................................. 5 1.1.1. Thép không gỉ...................................................................... 5 1.1.1.1. Phân loại............................................................................ 5 a. Thép không gỉ austenit......................................................... 6 b. Thép không gỉ ferit..................................................................... 6 c. Thép không gỉ mactenzit............................................................. 6 d. Thép không gỉ duplex.................................................................. 6 e.Thép không gỉ biến cứng kết tủa.................................................. 7 1.1.1.2. Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép 7 không gỉ.......................................................................................... 1.1.1.3.Tính hàn của thép không gỉ austenit................................... 7 a.Nứt nóng kim loai mối hàn và vùng ảnh hƣởng 7 nhiệt......................................................................................
2 b. Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt 10 độ cao........................................................................... c. Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số giãn nở nhiệt 11 lớn............................................................................................. d.Hiện tƣợng phá hủy liên kết hàn thép austenit do ăn mòn tinh 12 giới.......................................................................................... e. Hiện tƣợng phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn 13 mòn dƣới ứng suất........................................................................ 1.1.1.4. Công nghệ hàn thép không gỉ 316L bằng phƣơng pháp 13 hàn TIG........................................................................................... 1.2 Thép cacbon................................................................................ 15 1.2.1.1. Phân loại............................................................................ 15 a. Thép cacbon thấp...................................................................... 15 b. Thép cacbon trung bình.............................................................. 15 c. Thép cacbon cao......................................................................... 15 1.2.1.2. Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép 16 cacbon............................................................................................. 1.2.1.3. Tính hàn của thép A516 Grade 65..................................... 16 a. Chu trình nhiệt hàn và tính chất vùng ảnh hƣởng 17 nhiệt............................................................................................. b. Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn TIG.............................................. 18 1.2.1.4. Công nghệ hàn thép A516 Grade 65 bằng phƣơng pháp 18 hàn TIG........................................................................................... 1.3 Công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại bằng phƣơng pháp hàn 18 TIG............................................................................................ 1.3.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động phƣơng pháp hàn 18 TIG.................................................................................................. 1.3.2. Đặc điểm của quá trình hàn................................................. 19 1.3.3. Điện cực hàn TIG................................................................. 20 1.3.4. Cƣờng độ dòng điện khi hàn TIG......................................... 21
3 1.3.5. Điện áp hồ quang................................................................. 22 1.3.6. Khí bảo vệ.......................................................................... 23 1.3.7. Kim loại đắp (dây hàn phụ).................................................. 24 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.................................... 25 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc......................................... 25 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài....................................... 25 1.6 Định hƣớng nghiên cứu của đề tài................................................. 27 Chƣơng 2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP 28 NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu....................................................................... 28 2.2 Nội dung nghiên cứu đề tài............................................................. 28 2.2.1.Nghiên cứu lý thuyết.............................................................. 28 2.2.2.Nghiên cứu thực nghiệm........................................................ 29 2.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài................................. 29 2.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu........................................................... 29 2.3.2. Phạm vi nghiên cứu.............................................................. 30 2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................ 30 Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 32 3.1 Các phƣơng pháp hàn thép cacbon và thép không gỉ...................... 32 3.1.1.Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn 32 nổ (Explosive Welding Process)..................................................... 3.1.2. Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn 33 ma sát....................................................................................... a. Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma 33 sát ngoáy (Friction Stir Welding Process)..................................... b. Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn ma 35 sát quay..................................................................................... 3.1.3. Hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phƣơng pháp điện 35 tiếp xúc điểm điện trở (Resistance Spot Welding Process)..............
4 3.1.4. Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn 37 hồ quang......................................................................................... 3.1.4.1. Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn 37 MIG................................................................................................. 3.1.4.2. Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phƣơng pháp hàn 37 TIG.................................................................................................. 3.2 Khuyết tật mối hàn.......................................................................... 38 3.2.1. Ngậm xỉ (Solid inclusions).................................................... 38 3.2.2. Thiếu ngấu (Lack of fusion).................................................. 40 a. Thiếu ngấu cạnh........................................................................ 40 b.Thiếu ngấu giữa các lớp.............................................................. 41 c.Thiếu ngấu chân........................................................................ 42 3.2.3. Không thấu (Lack of penetration)........................................ 43 a.Không thấu hoàn toàn................................................................. 43 b.Thiếu thấu chân.................................................................... 44 3.2.4.Khuyết tật rỗ khí/hốc khí (Cavities)................................. 44 3.2.5.Nứt (Cracks)......................................................................... 47 a. Nứt dọc................................................................................... 48 b. Nứt ngang................................................................................... 48 c. Nứt tia......................................................................................... 49 d. Nứt rãnh hồ quang hàn............................................................... 49 e.Nứt theo bản chất......................................................................... 50 3.3 Các phƣơng pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn............................... 51 3.3.1. Kiểm tra mối hàn bằng phƣơng pháp siêu âm (UT- 52 Ultrasonic Test).............................................................................. 3.3.1.1.Qui trình chung................................................................... 52 3.3.1.2.Kiểm tra mối hàn giáp mối................................................. 53 3.3.2. Kiểm tra mối hàn bằng phƣơng pháp chụp ảnh phóng 58 xạ....................................................................................................
5 3.3.3. Kiểm tra vật liệu bằng thử kéo............................................. 61 3.3.3.1.Các phƣơng pháp kiểm tra độ bền..................................... 63 a. Thử kéo ngang........................................................................... 63 b. Thử kéo kim loại đắp toàn mối hàn (kéo dọc).............................. 64 3.3.4. Thử uốn tĩnh (uốn công nghệ)................................................ 66 b. Thử b gãy mối hàn giáp mối (nick- break tests)......................... 71 c. Thử b gãy mối hàn góc.............................................................. 72 Chƣơng 4 THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ 73 4.1 Quá trình thực hiện mẫu hàn giáp mối .......................................... 73 4.1.1. Chuẩn bị mẫu hàn................................................................. 73 4.1.1.1.Kích thƣớc chi tiết mẫu....................................................... 73 4.1.1.2.Thiết kế mối ghép............................................................... 73 4.1.1.3.Lựa chọn vật liệu hàn......................................................... 74 4.1.2.Hàn đính................................................................................ 76 4.1.2.1.Trình tự và kích thƣớc mối hàn đính.................................. 77 4.1.2.2.Xử lý biến dạng hàn............................................................ 78 4.1.3.Hàn........................................................................................ 80 4.1.3.1.Năng lƣợng đƣờng (Heat input)......................................... 80 4.1.3.2.Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn (Tip- interpass 81 temperature)................................................................................... 4.1.3.3.Trình tự bố trí các lớp hàn và đƣờng hàn.......................... 81 4.1.4.Kiểm tra............................................................................... 82 4.1.5Trang thiết bị hàn................................................................... 82 4.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù 83 1,6 mm......................................................................................... 4.2.1.Quy trình thực nghiệm mẫu hàn............................................ 83 4.2.1.1.Chuẩn bị mẫu hàn .............................................................. 83 4.2.1.2.Hàn đính............................................................................. 86 4.2.1.3.Hàn..................................................................................... 88
6 4.2.2. Kiểm tra............................................................................... 96 4.3 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù  97 2,4 mm........................................................................................ 4.3.1.Quy trình thực nghiệm mẫu hàn........................................... 4.3.1.1.Chuẩn bị mẫu hàn............................................................... 97 4.3.1.2.Hàn đính.......................................................................... 97 4.3.1.3.Hàn.................................................................................... 97 4.3.2. Kiểm tra................................................................................ 101 4.4 Thực nghiệm chế tạo mẫu hàn ứng với đƣờng kính que hàn bù 105 3.2 mm......................................................................................... 4.4.1.Chuẩn bị mẫu hàn.................................................................. 105 4.4.1.1.Hàn đính............................................................................. 106 4.4.1.2.Hàn..................................................................................... 106 4.4.2.Kiểm tra................................................................................ 109 4.4.3.Quy trình xác định các thông số hàn đạt năng suất cao 110 nhất............................................................................................... 4.4.4.Xác định cƣờng độ dòng điện............................................... 110 4.4.5.Quy trình hàn với cƣờng độ dòng điện hàn I= 160 110 (A)................................................................................................... 4.4.5.1.Chuẩn bị mẫu hàn............................................................... 110 4.4.5.2.Hàn đính............................................................................. 110 4.4.5.3.Hàn..................................................................................... 111 4.4.5.4.Kiểm tra.............................................................................. 114 a. Kiểm tra ngoại dạng................................................................... 114 b. Kiểm tra chụp X-quang............................................................... 114 c. Kiểm tra siêu âm......................................................................... 115 d.Kiểm tra độ bền kéo, uốn............................................................. 116 4.4.6.Thực nghiệm quy trình chế tạo mẫu hàn I= 180(A).............. 118 4.4.6.1.Chuẩn bị mẫu hàn............................................................... 118
7 4.4.6.2.Hàn đính............................................................................ 118 4.4.6.3.Hàn.................................................................................... 119 4.4.6.4.Kiểm tra.............................................................................. 122 a. Kiểm tra ngoại dạng.................................................................. 122 b. Kiểm tra chụp X-quang.............................................................. 122 c. Kiểm tra siêu âm....................................................................... 123 d.Kiểm tra độ bền kéo, uốn........................................................... 124 4.4.7.Thực nghiệm quy trình chế tạo mẫu hàn I= 200(A)............. 126 4.4.7.1.Chuẩn bị mẫu hàn............................................................... 126 4.4.7.2.Hàn đính............................................................................. 126 4.4.7.3.Hàn..................................................................................... 127 4.4.7.4.Kiểm tra.............................................................................. 129 a. Kiểm tra ngoại dạng................................................................... 129 Nhận xét.......................................................................................... 130 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 5.1. Kết luận......................................................................................... 132 5.2. Kiến nghị......................................................................................... 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤC LỤC 137
8 MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công nghiệp hóa chất các dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục trong các điều kiện công nghệ khắc nghiệt đƣợc khống chế rất nghiêm ngặt và một môi trƣờng hóa chất gây nên han gỉ, hƣ hỏng cho các thiết bị, máy móc. Theo số liệu thống kê mới nhất, trong các nhà máy hóa chất chi phí dành cho bảo vệ chống ăn mòn chiếm 70 - 80% chi phí sửa chữa và dịch vụ sửa chữa trong năm. Do vậy, ngƣời ta ngày càng chú ý hơn đến việc bảo vệ chống ăn mòn thiết bị công nghệ để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn. Một trong các kỹ thuật bảo vệ chống ăn mòn là lựa chọn loại vật liệu chế tạo nên kết cấu, máy móc có khả năng làm chậm quá trình ăn mòn. Thép không gỉ, thép hợp kim cao chịu ăn mòn trên cơ sở thép crôm – niken có giá thành cao, là một trong những vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị, máy móc sản xuất hóa chất. Tuy vậy, ngƣời ta không thể sử dụng thép hợp kim để chế tạo hoàn toàn một kết cấu máy vì lý do kinh tế, mà chỉ sử dụng chúng cho từng vị trí công nghệ có yêu cầu cao về nhiệt và chống mòn. Từ đây, vấn đề sử dụng các kết cấu đƣợc hình thành từ hai loại vật liệu là thép cacbon và thép không gỉ đã đƣợc đặt ra. Để đáp ứng điều này, các nhà chế tạo máy đã đƣa ra giải pháp là sử dụng đồng thời thép hợp kim (thép không gỉ) và thép cacbon trong một kết cấu bằng kỹ thuật hàn. Đây là một vấn đề khó khăn vì trong thực tế, để xây dựng một qui trình hàn thép không gỉ - thép cacbon là không đơn giản vì chúng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật mà còn phụ thuộc vào tay nghề của ngƣời thợ. Ngoài ra, việc cải thiện năng suất hàn mà vẫn đảm bảo chất lƣợng mối hàn cũng nhƣ không có khuyết tật hàn là một vấn đề đặt ra trong thực tế. Tring thực tế sản xuất, năng suất hàn phụ thuộc vào rất nhiều thông số nhƣ chế độ hàn, vật liệu hàn, tốc độ hàn, trang bị gá kẹp và tay nghề thợ hàn. Đây là các nội dung chính đƣợc quan tâm đề
9 cập đến trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề đề xuất đƣợc một qui trình công nghệ chế tạo hàn đạt năng suất hàn là cao nhất. 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Việc tham gia của các kim loại khác nhau trong cùng một kết cấu nói chung là một thách thức lớn về công nghệ vì sự khác biệt trong các tính chất lý tính, cơ tính và phƣơng pháp luyện kim của các kim loại cơ bản. Đây chính là vấn đề khó khăn khi sử dụng hai kim loại khác nhau (ở đây là thép cacbon và thép không gỉ) để chế tạo các kết cấu cơ khí bằng phƣơng pháp hàn. Hình 1: Sản xuất hệ vỏ & ống trao đổi nhiệt sử dụng hai vật liệu Sự tham gia của kim loại khác nhau đã mang đến một tiềm năng sử dụng những lợi thế của vật liệu khác nhau để chế tạo ra các kết cấu cơ khí ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, nhà máy nhiệt điện. Mục đích chính của việc sử dụng kim loại thứ hai tham gia trong kết cấu là để đạt đƣợc tính chất cơ học tốt hoặc là khối lƣợng riêng thấp hay có tính chống ăn mòn tốt. Và kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng cho phép sử dụng hai kim loại khác nhau trong những năm gần đây là kỹ thuật hàn. Mặc dù những vấn đề liên quan đến hàn các vật liệu khác nhau là rất hạn chế, xuất phát từ các vấn đề nhƣ độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn nhƣ hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon. Thép không gỉ austenit là thép hợp kim cao làm tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn và tăng độ bền của kết cấu. Thép cacbon
10 thấp và trung bình là thép dễ dàng gia công bằng các quá trình cơ khí và quá trình hàn. Nhu cầu sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này trong một số ngành công nghiệp bằng kỹ thuật hàn đã đƣa đến các tiến bộ nhƣ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí trơ (GTAW/TIG). Trong các tiêu chuẩn AWS D1.1, AWS D1.6 và ASME IX việc hàn hai kim loại khác nhau đƣợc đề cập đến với các thông số khá tổng quát và phạm vi giá trị khá rộng. Do vậy, việc xác định các qui trình hàn phù hợp cho hai vật liệu với mác cụ thể là một khó khăn do cần phải thực hiện một số lƣợng lớn thí nghiệm cùng với chi phí đo kiểm cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ về số nhà máy lọc hoá dầu ở Việt Nam dẫn đến nhu cầu lớn về xây dựng các bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas nên việc cần phải có các qui trình hàn phù hợp có năng suất cao để hàn hai loại vật liệu khác nhau nhƣ thép cacbon thấp và thép không gỉ là rất cấp thiết. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép các-bon ” đã đƣợc triển khai nghiên cứu tại trƣờng đại học Lâm nghiệp Hà Nội và các công việc thí nghiệm, đánh giá đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm RemeLab (trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh). 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 với thép không gỉ austenit A240. - Nghiên cứu các thông số ảnh hƣởng đến chế độ hàn, năng suất hàn. - Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã đƣợc xác định nhằm đạt đƣợc năng suất hàn cao. Trong khuôn khổ phạm vi đề tài, năng suất hàn ở đây đƣợc hiểu là năng suất hàn cao nhất có thể đạt đƣợc trên cơ sở qui trình hàn đã đề xuất mà vẫn đảm bảo đƣợc các yêu cầu về chất lƣợng mối hàn (độ bền, thẩm mỹ,…) cũng nhƣ không có chứa các khuyết tật hàn.
11 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN a. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn từ thép cacbon – thép không gỉ austenit đạt yêu cầu chất lƣợng bằng phƣơng pháp hàn TIG. - Xác định đƣợc thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn phụ để hàn cặp vật liệu thép cacbon với thép không gỉ austenit. - Xác định đƣợc các thông số hàn (cƣờng độ dòng điện hàn, vận tốc hàn, đƣờng kính que hàn) phù hợp và qua đó tìm đƣợc chế độ hàn đạt năng suất cao. b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Ứng dụng phƣơng pháp hàn TIG để hàn thép cacbon với thép không gỉ austenit mối hàn liên kết tấm giáp mối đƣợc vát cạnh chữ V. - Đề xuất đƣợc chế độ hàn đạt năng suất cao có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất. - Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào quá trình đào tạo, kiểm tra chất lƣợng mối hàn bằng phƣơng pháp kiểm không phá hủy (NDT) và phƣơng pháp phá hủy (DT). Qui trình hàn đề xuất có thể chuyển giao cho các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ hàn hàn hai vật liệu thép cacbon – thép không gỉ nói riêng và công nghệ hàn hai vật liệu nói chung để đạt đƣợc năng suất cao, cho phép giảm chi phí sản xuất trong các ngành công nghiệp đặc thù nhƣ đóng tàu, dầu khí, hóa chất,…
12 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về kim loại hàn 1.1.1 Thép không gỉ Thép không gỉ là một nhóm thép hợp kim cao, chứa ít nhất 12% crôm [1, 20]. Nói chung, chúng đƣợc tạo thành từ các nguyên tố hợp kim với một nguyên tố khác làm cho chúng có thể chống ăn mòn trong nhiều môi trƣờng khác nhau. Những nguyên tố này cũng làm thay đổi cấu trúc tế vi của thép hợp kim, do đó có ảnh hƣởng rõ rệt về tính chất cơ học và tính hàn của chúng. Có nhiều hệ thống khác nhau đang đƣợc sử dụng để ký hiệu thép không gỉ. Ký hiệu đƣợc sử dụng phổ biến là hệ thống AISI (tiêu chuẩn Mỹ), trong hệ thống này nhóm thép không gỉ austenit đƣợc ký hiệu trong dãy 200 và 300, thép không gỉ mactenxit và ferrit đƣợc ký hiệu trong dãy 400 [1, 20]. Để nhận biết thép có tổ chức kim loại thuộc nhóm nào, có thể sử dụng giản đồ Schaeffler hình 2.1. Giản đồ Schaeffler cho biết tổ chức pha gần đúng của thép (trong điều kiện cân bằng về nhiệt động học) trên cơ sở đƣơng lƣợng crom (CrE) và đƣơng lƣợng niken (NiE). Hình 1.1. Giản đồ Schaeffler [28]
13 Một phƣơng pháp hữu ích để đánh giá các đặc tính chung của quá trình luyện kim của vật liệu hàn thép không gỉ là bằng sơ đồ Schaelfler và Delong. Các nguyên tố hợp kim khác nhau đƣợc thể hiện trong giới hạn của hàm lƣợng niken hoặc crôm tƣơng đƣơng (tức là các nguyên tố nhƣ niken có xu hƣớng hình thành austenit và các nguyên tố nhƣ crôm có xu hƣớng hình thành ferit). Bằng cách vẽ tổng giá trị cho niken và crôm tƣơng đƣơng trên các sơ đồ này, một điểm có thể đƣợc tìm thấy chỉ ra các pha chính có trong thép không gỉ và giới hạn về % ferit và giá trị ferit tƣơng ứng. Điều này cung cấp một số thông tin nhƣ ứng xử của nó trong quá trình hàn. 1.1.1.1 Phân loại a. Thép không gỉ austenit: là thép có chứa 17 – 20% Cr và 8 – 13% Ni, 2 - 3% Mo [16]. Đặc điểm chung của nhóm thép này là chịu đƣợc nhiệt độ cao, tính chống ăn mòn cao, hoàn toàn ổn định trong nƣớc sông, nƣớc biển, quá nhiệt, dung dịch muối, hoàn toàn ổn định trong HNO3 với mọi nồng độ. Công dụng của nhóm thép này là sử dụng trong công nghiệp sản xuất axít, hóa dầu và thực phẩm. Trong lĩnh vực chế tạo thì nhóm này có tính hàn rất tốt bao gồm các chủng loại 304, 310, 316. b. Thép không gỉ ferit: là thép có chứa 13 – 18% Cr (một số mác thép thành phần Cr có thể lên tới 29%) [16] và hàm lƣợng cacbon thấp < 0,1%. Đặc điểm của nhóm này là có tình chống ăn mòn cao. Công dụng của nhóm này là sử dụng trong môi trƣờng khí hậu biển, nƣớc biển, môi trƣờng axít, công nghiệp hóa dầu. c. Thép không gỉ mactenxit: là nhóm thép có chứa 12 – 18% Cr và 0,15 – 0,3% C. Nhóm thép này có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nƣớc máy, nƣớc sông và axit HNO3. Công dụng phổ biến là làm đồ trang sức, ốc vít không gỉ, chịu nhiệt (< 4500C), ổ bi chống ăn mòn. d. Thép không gỉ duplex (còn gọi là thép hai pha ferit – austenit): là nhóm thép có chứa 22 – 25% Cr, 5 – 7% Ni và tới 3 – 4% Mo [16]. Duplex là thép không gỉ mới nhất, vật liệu này là sự kết hợp của các vật liệu austenit và ferit. Vật liệu này có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn vƣợt trội. e. Thép không gỉ biến cứng kết tủa: Thép không gỉ biến cứng kết tủa là
14 nhóm thép không gỉ quan trọng có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn, chống oxi hóa tốt và dễ gia công trong chế tạo. Thép loại này đƣợc bền hóa theo cơ chế hình thành mactenzit, bền hóa phân tán hoặc kết hợp cả hai. 1.1.1.2 Thành phần hóa học và cơ tính vật liệu cơ bản thép không gỉ Thép không gỉ sử dụng trong liên kết hàn nghiên cứu trong đề tài này là thép không gỉ austenit ASTM A240 316L (tƣơng đƣơng với mác thép SA240 SS316L theo tiêu chuẩn ASME). Thành phần hóa học của thép không gỉ austenit ASTM A240 316L đƣợc cho trong bảng 1.1. Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép không gỉ A240 316L [20] Thành phần hóa học (%) Vật liệu cơ bản C Mn P S Si Cr Ni Mo ASTM 0.03 2.0 0.045 0.03 0.75 16-18 10-14 2.0-3.0 A240 316L Cơ tính của thép không gỉ A240 316L đƣợc cho trong bảng 1.2. Bảng 1.2: Cơ tính của thép không gỉ A240 316L [20] Cơ tính Vật liệu cơ bản Trạng thái Độ bền kéo Giới hạn chảy Độ giãn dài (MPa) (MPa) tƣơng đối (%) ASTM 485 170 - A240 316L 1.1.1.3 Tính hàn của thép không gỉ austenit a. Nứt nóng kim loại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt Trên hình 1.2 là sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn thuần túy austenit. Các tinh thể austenit  (chúng có nhiệt độ nóng chảy cao) kết tinh trƣớc, hình thành dần kim loại đắp. cuối giai đoạn kết tinh của các tinh thể này, pha lỏng có nhiệt độ nóng
15 chảy thấp hơn và độ bền thấp hơn (cùng tinh) bị các tinh thể đẩy vào vùng tinh giới để kết tinh sau cùng. Do không có chuyển biến pha rắn, trong quá trình nguội, các tinh thể kim loại có kích thƣớc lớn, tiết diện lớn và diện tích bề mặt nhỏ (hạt thô); lớp cùng tinh giữa các tinh thể có chiều dày lớn. Độ bền và khả năng biến dạng của kim loại nhƣ vậy nhỏ. Sự co ngót kim loại mối hàn và ứng suất kéo tăng trong quá trình nguội sẽ gây nứt nóng. Kiểu kết tinh này đặc trƣng cho hàn nhiều lớp, khi các tinh thể của lớp sau lớn lên từ các tinh thể của lớp trƣớc (quá trình kết tinh của kim loại mối hàn mang tính định hƣớng cao) [1]. Hình 1.2. Kết tinh kim loại mối hàn một pha  [1] Khi trong mối hàn có tổ chức kim loại hai pha là austenit () và delta ferit (), hiện tƣợng nứt nóng có thể đƣợc khắc phục. Trên hình 1.3 là sơ đồ kết tinh mối hàn thép austenit với kim loại mối hàn có tổ chức  và . Hình 1.3. Kết tinh kim loại mối hàn hai pha  + [1] Vai trò ngăn nứt nóng của ferit liên quan đến quá trình kết tinh sơ cấp của kim loại mối hàn nhƣ sau: lúc kết tinh đồng thời xuất hiện 2 pha  và  sơ cấp có tác
16 dụng làm mất định hƣớng kết tinh của kim loại mối hàn, tức là làm giảm tiết diện các cột tinh thể  và làm mịn các lớp giữa các tinh thể, đƣợc chia cách bằng các đoạn  ferit sơ cấp. Các nguyên tố ổn địng ferit (Si,Al, Mo) có tác dụng khử lƣu huỳnh trong vũng hàn (làm giảm lƣợng sunphit cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp). Nhƣ vậy tác dụng của  ferit là hòa tan tạp chất và giảm hiện tƣợng thiên tích. Nứt nóng có đặc trƣng của nứt giữa các tinh thể, chủ yếu dƣới dạng cấu trúc hạt thô khi các tinh thể kết tinh của lớp sau nối tiếp lớp trƣớc. Nứt nóng có thể xuất hiện khi hàn, nhiệt luyện và cả khi vận hành kết cấu ở nhiệt độ cao. Cần lƣu ý là khi hàn, nứt nóng có thể sảy ra không chỉ trong kim loại mối hàn mà cả trong vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ). Để khắc phục hiện tƣợng nứt nóng, có thể sử dụng các biện pháp sau: - Làm mịn các hạt tinh thể khi cho các hạt này kết tinh bằng cách làm mất định hƣớng của chúng, giảm chiều dày của lớp cùng tinh, để kim loại mối hàn chứa một lƣợng nhất định  ferit sơ cấp. - Sử dụng vật liệu hàn chứa ít tạp chất P, S (dây hàn, lõi que hàn đã qua tinh luyện chân không hoặc tinh luyện điện xỉ). - Giảm trị số của các thông số hàn nhƣ năng lƣợng đƣờng, tiết diện mối hàn, lƣợng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn. Vấn đề lƣợng  ferit cần thiết cho kim loại mối hàn có tầm quan trọng khi chọn vật liệu và chế độ công nghệ hàn thép austenit. Giản đồ Scheaffler (có từ năm 1949), hình 1.1, đƣợc dùng để đánh giá nhanh tổ chức kim loại dựa trên cơ sở thành phần của thép Cr – Ni. Tỷ lệ %  ferit trong kim loại mối hàn có thể đƣợc xác định bằng phƣơng pháp kim tƣơng. Tuy nhiên điều này không phải bao giờ cũng thuận tiện cho điều kiện sản xuất hàn. Giản đồ Delong (hình 1-4) đƣợc đƣa ra sử dụng từ năm 1974 đã khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm chính của Schaeffler. Nó tính tới vai trò của nitơ đối với tổ chức kim loại của thép và kết hợp với phƣơng pháp đo bằng từ tính để giúp xác định nhanh lƣợng  ferit trong kim loại mối hàn, thông qua một chỉ số gọi là số ferit (FN: ferit number).
17 Với giản đồ Delong tỷ lệ % ferit càng thấp thì số FN càng chính xác. Các kim loại khác nhau cần các số FN khác nhau. Với thép không gỉ 316L cần ít nhất 3FN. Khi hàn, để đạt đƣợc lƣợng  ferit do các nhà sản xuất que hàn khuyến cáo thì cần sử dụng đúng quy trình hàn: - Tránh sử dụng năng lƣợng đƣờng lớn (dùng que hàn có đƣờng kính nhỏ, không dao động ngang khi hàn, làm nguội nhanh mối hàn), nếu không lƣợng  ferit sẽ tăng, làm giảm khả năng chống ăn mòn. - Tránh sử dụng chiều dài hồ quang lớn (mức độ bảo vệ không đầy đủ) nếu không sẽ làm tăng lƣợng nitơ trong mối hàn, gây mức austenit hóa mối hàn cao, tức là làm giảm lƣợng  ferit cần thiết. Hình 1.4. Giản đồ Delong và số ferit FN [28] b. Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt độ cao Hiện tƣợng giòn kim loại thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt austenit liên quan chủ yếu đến quá trình vận hành kết cấu hàn ở nhiệt độ cao. Tốc độ nguội khi hàn cao có tác dụng giữ nguyên các tổ chức kim loại ổn định trong vùng có nhiệt độ
18 cao. Sau đó, trong quá trình vận hành trong dải nhiệt độ từ 3500C trở lên, hiện tƣợng khuếch tán sẽ làm thay đổi tổ chức kim loại, dẫn đến suy giảm tính dẻo của kim loại mối hàn. Kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt có thể bị giòn thông qua hiện tƣợng hóa già nhiệt trong vùng 350÷5000C. Đây là vùng giòn 4750C. Ngoài ra giữ mối hàn có tổ chức hai pha (austenit + ferit) một thời gian đủ lâu trong vùng 500÷6500C cũng gây nên hóa già do tiết ra pha cacbit Cr23C6 [1]. Hợp kim hóa kim loại mối hàn bằng Ti hoặc Nb có tác dụng liên kết cacbon thành các hạt cacbit TiC và NbC bền vững, mịn và phân tán đều trong hạt kim loại austenit, không tạo điều kiện cho Cr liên kết với cacbon. Giữ kim loại ở vùng 700- 8500C có tác dụng đẩy mạnh quá trình tiết ra pha sigma  (pha này làm giòn mối hàn ở nhiệt độ thấp và làm giảm giới hạn bền ở nhiệt độ cao). Các nguyên tố ổn định hóa ferit nhƣ Ti và Nb có tác dụng thúc đẩy quá trình này. Do đó biện pháp tích cực nhất để loại bỏ các pha cacbit crôm và sigma là giảm lƣợng cacbon trong kim loại mối hàn. c. Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số giãn nở nhiệt lớn Thép không gỉ austenit có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều so với thép thƣờng. Khi hàn nhiều lớp, kim loại vùng ảnh hƣởng nhiệt và các lớp hàn đầu tiên bị nung nóng nhiều lần, làm cho chúng bị biến dạng nhiệt (biến cứng). Có bốn yếu tố làm giảm cơ tính kim loại vùng ảnh hƣởng nhiệt và các lớp hàn đầu tiên [1]: - Thứ nhất: Chu trình nhiệt hàn khi hàn có thể làm giảm tính dẻo và độ bền, dẫn đến nứt liên kết hàn. - Thứ hai: 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 - Thứ ba: Vùng ảnh hƣởng nhiệt đƣợc giữ lại một thời gian dài tại nhiệt độ vận hành cao, làm cho các pha mịn cacbit và pha sigma bị cầu hóa, gây nên hiện tƣợng giòn. - Thứ tƣ: Quá trình tiết ra các pha cacbit và sigma () trong kim loại mối hàn kết hợp với ứng suất dƣ sau khi hàn có tác dụng làm giảm tính dẻo và làm cục bộ hóa biến dạng vùng ảnh hƣởng nhiệt gây nứt.