Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cấu trúc của liên kết hàn thép cacon thép không gỉ

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cấu trúc của liên kết hàn thép cacon thép không gỉ Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cấu trúc của liên kết hàn thép cacon thép không gỉ Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cấu trúc của liên kết hàn thép cacon thép không gỉ luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CACBON ĐẾN CẤU TRÚC CỦA LIÊN KẾT HÀN THÉP CACBON - THÉP KHÔNG GỈ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – Năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CACBON ĐẾN CẤU TRÚC CỦA LIÊN KẾT HÀN THÉP CACBON - THÉP KHÔNG GỈ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan ngoại trừ các số liệu được trích dẫn từ tài liệu tham khảo thì nội dung còn lại là công trình nghiên cứu và tính toán của riêng tôi Các số liệu tính toán là trung thực và chưa được ai công bố Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2018

Người cam đoan

Phan Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tác giả chân thành cám ơn TS Vũ Đình Toại đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin trân trọng cám ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Thực hành – Trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Hà Nội, Phòng thí nghiệm LAS XD01- Viện khoa học công nghệ Xây dựng, Phòng Thí nghiệm Kim tương học - Viện KH & KT Vật liệu- Đại học Bách khoa Hà Nộiđã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất phục vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình tiến hành thực nghiệm để hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bố, mẹ và các thành viên gia đình tác giả đã luôn động viên, ủng hộ và tạo điều kiện trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Tác giả

Phan Anh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Lịch sử nghiên cứu 10

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 12

5 Phương pháp nghiên cứu 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HÀN THÉP KHÁC CHỦNG LOẠI 13

1.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước: 13

1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài: 14

1.3 Kết luận 1: 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN THÉP KHÁC CHỦNG LOẠI 16

2.1 Mục đích: 16

2.2 Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn nóng chảy 16

2.2.1 Ứng xử của thép cacbon khi hàn nóng chảy 16

2.2.2.Ứng xử của thép không gỉ khi hàn nóng chảy 17

2.3 Công nghệ hàn nóng chảy thép khác chủng loại 17

2.3.1 Đặc điểm khi hàn nóng chảy thép khác chủng loại 17

2.3.2 Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn nóng chảy 20

2.3.3 Sự hình thành kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 22

2.3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến sự hình thành liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 26

2.3.5 Chọn vật liệu để hàn nóng chảy liên kết thép cacbon – thép không gỉ

bằng quá trình hàn hồ quang 27

2.4 Kết luận 2: 30

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HÀN MIG LIÊN KẾT GIÁP MỐI GIỮA THÉP CACBON VỚI THÉP KHÔNG GỈ 33

3.1 Mục đích 33

3.2 Trang thiết bị thínghiệm 33

3.2.1.Thiết bị hàn 33

3.2.2 Các trang thiết bị phụtrợ 34

3.3 Mẫu thínghiệm 36

3.3.1 Vật liệu mẫu hàn và dâyhàn 36

3.4 Xây dựng thí nghiệm 37

3.4.1 Sơ đồ gá kẹp và hàn đính mẫu thínghiệm 37

3.4.2 Các chế độ hàn và quy trình thí nghiệm 38

Lớp hàn 42

Phương pháp hàn 42

Vật liệu hàn 42

Nguồn điện hàn 42

Điện áp 42

Lưu lượng khí (lít/phút) 42

Tốc độ hàn 42

(mm/phút) 42

Mác 42

Đường kính 42

Loại 42

Dòng điện 42

3.5 Các trang thiết bị kiểm tra chất lượng hàn 43

3.5.1 Các phương pháp và thiết bị kiểm tra NDT liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 43

3.5.2 Các phương pháp và thiết bị kiểm tra DT liên kết hàn thép cacbon – thép

không gỉ 44

3.6 Kết luận 3: 53

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 54

4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 54

4.2 Cấu trúc thô đại của liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 58

4.3 Cấu trúc tế vi của liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 59

4.3.1 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon 59

4.3.2 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép không gỉ 60

4.4 Sự tiết pha cacbit và độ cứng tế vi trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 61

4.5 Pha delta ferrite trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 65

4.6 Các dạng khuyết tật có thể xuất hiện trong liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ 69

4.7 Kết luận 4: 70

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MIG - Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường

khí trơ bảo vệ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của thép CCT38 (nguồn: [2]) 28

Bảng 2.2 Cơ tính của thép CCT38 (nguồn: [2]) 29

Bảng 2.3 Thành phần hóa học của thép C50 (nguồn: [3]) 29

Bảng 2.4 Cơ tính của thép C50 (nguồn: [3]) 29

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của thép SUS304 (nguồn: [4]) 29

Bảng 2.6 Cơ tính của thép SUS304 (nguồn: [4]) 29

Bảng 2.7: Thành phần hóa học dây hàn GM308L (nguồn [5] 30

Bảng 2.8: Cơ tính dây hàn GM308L (nguồn [5] 30

Bảng 3.1 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng 35

Bảng 3.2 Các thông số hàn lý thuyết cho dây hàn GM308L 39

Bảng 3.3 Các thông số hàn thực nghiệm cho dây hàn GM 308L 41

Bảng 3.4 Quy trình hàn 41

Bảng 3.5 Các trang thiết bị kiểm tra chất lƣợng liên kết hàn 50

Bảng 4.1 Kết quả thử kéo mối hàn 54

Bảng 4.2 Kết quả thử uốn mối hàn 54

Bảng 4.3 Kết quả thử độ dai của kim loại mối hàn 55

Bảng 4.4 Thành phần hóa của kim loại mối hàn 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn (nguồn: [7]) 20

Hình 2.2: mô tả các giai đoạn của quá trình tiết pha mới trong kim loại 21

Hình 2.3 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại 21

Hình 2.4 Liên kết hàn thép cacbon-thép không gỉ austenit 23

Hình 2.4: Giản đồ Schaeffler (nguồn: [1]) 24

Hình 2.5 Vùng đường chảy liên kết hàn thép cacbon-thép không gỉ 25

Hình 3.1 Thiết bị hàn WIM MIGWELD 280ESF của Malaysia [http://hvweld.com] 34

Hình 3.2 Dạng chuẩn bị liên kết hàn theo quy phạm AWS D1.1 36

Hình 3.3 Các mẫu phôi thí nghiệm 37

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí mẫu hàn và thiết bị hàn khi thí nghiệm 38

Hình 3.5 Hàn đính khi thí nghiệm 38

Hình 3.6 Khuyết tật không ngấu khi hàn ở dòng thấp 40

Hình 3.7 Sự biến dạng mối hàn và gia tăng chiều sâu ngấu khi hàn ở dòng quá cao 40

Hình 3.8 Mối hàn khi sử dụng bộ thông số trong bảng 3.3 42

Hình 3.9 Sơ đồ và thiết bị kiểm tra siêu âm mối hàn 44

Hình 3.10 Ví trí cắt mẫu thử kéo và uốn mối hàn [6] 45

Hình 3.11 Kích thước mẫu thử kéo mối hàn [6] 46

Hình 3.12 Kích thước mẫu thử uốn mối hàn [6] 47

Hình 3.13 - Mẫu và thiết bị kiểm tra kéo mối hàn 48

Hình 3.14 - Mẫu và thiết bị kiểm tra uốn mối hàn 48

Hình 3.15 - Mẫu kiểm tra độ bền va đập mối hàn 49

Hình 3.16 - Thiết bị kiểm tra độ bền va đập mối hàn 50

Hình 4.1 Mẫu sau khi thử kéo mối hàn thép CCT38 và SUS304 56

Hình 4.2 Mẫu sau khi thử kéo mối hàn thép C50 và SUS304 56

Hình 4.3 Mẫu sau khi thử uốn mối hàn thép CCT38 và SUS304 57

Hình 4.4 Mẫu sau khi thử uốn mối hàn thép C50 và SUS304 58

Hình 4.5 Cấu trúc thô đại mối hàn 59

Hình 4.6 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon (x200) 59

Hình 4.7 Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép cacbon (x500) 60

Hình 4.8- Cấu trúc tế vi tại vùng liên kết giữa KLMH và thép không gỉ 61

Hình 4.9- Pha cacbit trong liên kết hàn thép cacbon-thép không gỉ 62

Hình 4.10 Độ cứng tế vi vùng danh giới giữa KLMH và thép không gỉ 63

Hình 4.11 Độ cứng tế vi vùng danh giới giữa KLMH và thép cacbon 64

Hình 4.12 Giản đồ pha thép không gỉ austenit và mô hình kết tinh [20] 66

Hình 4.13 Giản đồ dự đoán mô hình kết tinh và hàm lượng δ-ferit trong mối hàn bằng giản đồ Schaeffler [20] 66

Hình 4.14 Sự thay đổi δ-ferit tại biên giới nóng chảy mối hàn (x500) 67

Hình 4.15 Sự thay đổi hình thái pha ferit tại vùng tâm kim loại mối hàn 68

Hình 4.16 Hình thái của δ-ferit dạng xương cá và sợi mảnh trong kim loại mối hàn (x1000) 68

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ Hàn đã và đang khẳng định được vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống Với mục đích tạo ra được các sản phẩm có tính năng phù hợp với nhu cầu sử dụng khác nhau tại các vị trí khác nhau trên chính sản phẩm đó mà không lãng phí về vật liệu và giảm được giá thành sản phẩm, thì công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại đã được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng được các yêu cầu đó

Trên thế giới công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại đã được phát triển và ứng dụng nhiều trong các thiết bị công nghiệp, hàng không vũ trụ, y tế, dầu mỏ, khai khoáng…Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, vật liệu, môi trường…đến quá trình hàn này

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu về hàn thép khác chủng loại vẫn còn rất hạn chế Trong khi đó có nhiều khía cạnh của công nghệ hàn này cần được nghiên cứu

và làm sáng tỏ hơn Nằm trong các định hướng đó tác giả đã chọn nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cấu trúc của liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ Mà cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính, đến tổ chức tế vi và đến quá trình hình thành và tiết pha cacbit khi hàn thép cacbon-thép không gỉ Các nghiên cứu này sẽ được trình bày cụ thể trong nội dung chính của luận văn

2 Lịch sử nghiên cứu

Khái niệm về công nghệ hàn thép khác chủng loại có từ lâu trên thế giới Tuy nhiên việc nghiên cứu chuyên sâu các khía cạnh cụ thể chỉ được phát triển mạnh sau những năm 2000 Dưới đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến hàn thép cacbon-thép không gỉ:

Năm 2012 Acosmin đưa ra nghiên cứu: Làm thế nào để hàn thành công ống thép cacbon và thép không gỉ Ở đây tác giả đã đưa ra được quy trình hàn ống thép khác chủng loại, chọn vật liệu hàn hợp lý và nghiên cứu được ảnh hưởng của năng lượng đường đến chất lượng mối hàn

Năm2013Shamsul_Baharin_Jamaludin có bài nghiên cứu về cơ tính của liên kết hàn khi hàn thép không gỉ mác 304 với thép cacbon thấp Trong nghiên cứu này

Shamsul_Baharin_Jamaludin đã sử dụng hai vật liệu hàn khác nhau, đó là thép 308L-16 và E6013 để hàn cặp vật liệu trên và so sánh các chỉ tiêu độ bền chảy, độ bền kéo của chúng khi thử kéo Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng:

1 Thép không gỉ 304 có thể được hàn với thép cacbon thấp bằng vật liệu hàn là thép không gỉ 308L-16 hoặc bằng thép cacbon thường

2 Độ bền kéo của mẫu hàn sử dụng điện cực hàn thép cacbon thấp, hơi thấp so với mẫu hàn sử dụng điện cực hàn bằng thép không gỉ, tuy nhiên, cả hai loại mẫu hàn đều đạt được độ bền kéoyêu cầu của mối hàn

3 Các khuyết tật nứt thường xảy ra bên phía vật liệu cơ bản thép cacbon thấp và vùng ảnh hưởng nhiệt bên phía thép không gỉ cao hơn bên phía thép cacbon… Năm 2017 tác giả Lê Thị Nhung cùng các cộng sự của mình có bài nghiên cứu về

Sự hình thành δ-ferit trong mối hàn giữa thép không gỉ với thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16 Nhóm tác giả đã đạt được một số kết quả sau: Qua phân tích

ảnh tổ chức tế vi quang học và ảnh SEM chỉ ra sự thay đổi hình thái của δ-ferit từ biên giới nóng chảy vào tâm mối hàn Hình dáng của δ-ferit như dạng sợi mảnh, xương cá tìm thấy tại biên giới nóng chảy và δ-ferit đều trục tại tâm mối hàn được

hình thành trong quá trình đông đặc Giản đồ Schaffler và phần mềm Image plus

được sử dụng để tính tỉ phần của δ-ferit trong kim loại mối hàn Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, khi hàm lượng của δ-ferit tăng thì độ cứng của kim loại mối hàn

giảm

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn:

Mục tiêu của luận văn này là thông qua quá trình hàn thực nghiệm, làm rõ một số vấn đề sau sau:

- Đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ

- Phân tích, đánh giá được cấu trúc của liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ

- Phân tích, đánh giá được ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến quá trình tiếtpha cacbit trong liên kết hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :

- Đối tượng nghiên cứu là thép tấm cacbon CCT38, C50 và thép không gỉ SUS304

- Chiều dày mẫu nghiên cứu : Thép tấm dày 12mm

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Các luận điểm chính và nội dung đóng góp trong bản luận văn:

- Xây dựng được một quy trình hàn hợp lý cho hàn thép cacbon và thép không gỉ

ở các mức độ thành phần cacbon khác nhau:

- Lập được quy trình kiểm tra đầy đủ để đánh giá được sự ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến cơ tính, tổ chức tế vi của mối hàn khi hàn thép cacbon và thép không gỉ

- Nghiên cứu sự tiết pha cacbit chỉ hình thành khi hàm lượng cacbon cao (>0,5%)

và sự phân bố các pha này nằm ngay sát vùng đường chảy của mối hàn và lệch

về phía kim loại mối hàn Pha delta ferit được hình thành dọc theo biên giới của kim loại mối hàn và thép không gỉ, chúng có dạng sợi mảnh kéo dài theo hướng nguội của kim loại mối hàn

- Sự xuất hiện của các tổ chức chứa cacbit dọc theo vùng đường chảy làm cho vùng này có tính chất cứng, giòn, dễ nứt, còn sự xuất hiện của các pha delta ferit làm cho cơ tính mối hàn giảm xuống, pha này càng lớn thỉ độ cứng và độ dai va đập của mối hàn càng giảm

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Từ cơ sở lý thuyết đưa ra được các quy trình hàn hợp lý cho các cặp vật liệu khác nhau, trên cơ sở các tiêu chuẩn kiểm tra, lập ra được danh sách các phép thử để đưa ra kết quả thực nghiệm, trên cơ sở các kết quả thực nghiệm thu được để giải quyết được các yêu cầu của đề bài luận văn

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HÀN THÉP KHÁC CHỦNG LOẠI

Công nghệ hàn các vật liệu thép khác chủng loại đã được nghiên cứu và ứng dụng trong các nghành công nghệ xây dựng, y tế, cơ khí chế tạo

Với các ưu điểm:

 Tạo ra các chi tiết có các tính chất khác nhau tại các vị trí khác nhau

 Giảm giá thành chế tạo

 Giảm chi phí vận hành, bảo dưỡng

Việc hàn các vật liệu thép khác nhau tạo ra các chi tiết máy, các kết cấu thép, các dụng cụ, khí cụ đa vật liệu có tính năng vượt trội như: bảo đảm khả năng làm việc tốt hơn; tuổi thọ lâu hơn; giảm chi phí vận hành, bảo dưỡng và thay thế

1.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước:

Hiện nay ở nước ta việc nghiên cứu công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại vẫn còn rất hạn chế Có rất ít các công trình nghiên cứu cũng như rất ít các công ty chế tạo các sản phẩm theo công nghệ này

Lý thuyết của công nghệ này được tác giả Ngô Lê Thông [1] tổng hợp trong bộ sách "Công nghệ hàn nóng chảy 2'' Trong tài liệu này tác giả đã đưa ra lý thuyết tổng quát cho hàn các vật liệu thép khác chủng loại như:

- Các khác biệt về mặt tính chất vật lý, hóa học và cơ tính của các kim loại khác nhau và hợp kim của chúng và khả năng tương tác giữa chúng khi hàn

- Các nguyên tắc hàn các vật liệu khác chủng loại

- Đặc điểm công nghệ hàn và các phương pháp hàn các loại thép khác chủng loại với nhau

- Công nghệ hàn một số kim loại khác chủng loại tiêu biểu trong công nghiệp

Một số các công ty của Quốc phòng cũng đã triển khai công nghệ hàn này để ứng dụng vào việc chế tạo các ca nô, xuồng máy tốc độ cao Đã tiến hành chế tạo các loại tàu cao tốc vỏ nhôm với tải trọng lớn, tuy nhiên việc hàn trực tiếp nhôm với thép vẫn chưa được triển khai Để chế tạo các liên kết nhôm – thép dạng chữ T, người ta phải nhập từ nước ngoài các dải vật liệu trung gian 2 lớp: nhôm - thép (Bimetal) hoặc 3 lớp: hợp kim nhôm - nhôm

nhôm và thép với thép như cách làm thông thường Cách làm này tuy có bảo đảm được chất lượng và độ tin cậy yêu cầu, nhưng làm phức tạp cho kết cấu, tốn nhiều chi phí và thời gian chế tạo do số mối hàn tăng gấp đôi, phải gia công nhiều và đặc biệt là mất chi phí và thời gian nhập khẩu các dải vật liệu trung gian

Tác giả Vũ Đình Toại trong luận án tiến sĩ của mình cũng đã nghiên cứu về công nghệ hàn nhôm với thép cacbon bằng công nghệ hàn TIG dạng liên kết chữ T và đã đạt được một số thành quả có ý nghĩa cao cả về lý thuyết và thực tiễn, trong đó phải kể đến những đóng góp mới và quan trọng mà tác giả đã đưa ra được, như:

- Xây dựng được chương trình tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T (một dạng kết cấu mới, phi tiêu chuẩn)

- Mô phỏng được quá trình hàn TIG cho liên kết lai ghép giữa 2 loại vật liệu rất khác biệt về chủng loại và tính chất đó là nhôm với thép ở dạng chữ T, để từ đó đánh giá được khả năng hình thành liên kết hàn và dự báo các khuyết tật ngoại dạng

- Xây dựng được mối quan hệ giữa năng lượng đường với các yếu tố quyết định đến khả năng hình thành liên kết hàn giữa nhôm AA1100 và thép CCT38, từ

đó lựa chọn được dải năng lượng đường phù hợp đảm bảo tạo ra được liên kết hàn giữa nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hànTIG

- Tìm ra được các giải pháp kỹ thuật và công nghệ phù hợp để thực hiện được liên kết hàn hybrid nhôm – thép dạng chữ T tấm dày, hàn cả 2 phía, không sử dụng thuốc hàn, không mạ hay sử dụng vật liệu trung gian bằng quá trình hàn TIG

Ngoài ra cũng có một số bài báo nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, vật liệu đến liên kết hàn thép khác chủng loại, tuy nhiên số lượng không nhiều

1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:

Trên thế giới công nghệ hàn thép khác chủng loại nói chung và hàn thép không gỉ với thép các bon nói riêng đã được nghiên cứu từ lâu và được ứng dụng nhiều trong công nghệ chế tạo chi tiết máy, các kết cấu đặc biệt, như trong các trục động cơ, bánh răng dẫn động, vỏ các lò hơi, lò nhiệt, các chi tiết máy, các thiết bị y

tế, thiết bị hàng không, vũ trụ

Trong ngành công nghiệp nặng, các công ty công nghiệp lớn của Nhật Bản, Mỹ như Mitsubishi heavy industrial, Swanton welding company đã ứng dụng công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, mà cụ thể ở đây là hàn thép cacbon với thép không gỉ vào việc chế tạo các kết cấu lớn, như: các vỏ lò luyện thép, lò hơi trong sử

lý các thiết bị y tế,

Các hãng sản xuất xe hơi lớn trên thế giới, như Mercedes Benz, BMW, Audi, và các hãng sản xuất tàu hỏa, như ICE, TGV… cũng đã rất thành công trong việc chế tạo các mẫu sản phẩm có vỏ bọc bằng nhôm hợp kim có các tính năng vượt trội, như: có độ bền cao, tuổi thọ lớn, giảm được đáng kể khối lượng của sản phẩm.Trong đó để hàn nhôm với các loại vật liệu khác, người ta đã áp dụng rất nhiều quá trình hàn đặc biệt khác nhau cùng với rất nhiều nghiên cứu có giá trị của nhiều tác giả

2.2 Ứng xử của kim loại cơ bản khi hàn nóng chảy

Để tiến hành hàn được các vật liệu thép khác chủng loại, trước tiên cần phải nghiên cứu rõ tính chất cũng như ứng xử của từng loại vật liệu sử dụng trong các quá trình hàncụ thể, ảnh hưởng của các kim loại đó đến quá trình hình thành mối hàn Trên cơ

sở đó mới đưa ra được các giải pháp kỹ thuật cũng như giải pháp công nghệ để tạo

ra các liên kết hàn có chất lượng cao

2.2.1 Ứng xử của thép cacbon khi hàn nóng chảy

Tùy vào hàm lượng cacbon có trong thép mà người ta phân ra thành các loại thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình và thép cacbon cao Tính hàn của các loại thép cacbon này cũng khác nhau, thép có hàm lượng cacbon càng cao hay nói chính xác hơn là thép có hàm lượng cacbon tương đương càng cao thì tính hàn càng kém, khi hàn các loại thép này rễ hình thành ra các tổ chức không có lợi trong kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, gây hiện tượng nứt trong và sau quá trình hàn Để hàn các vật liệu thuộc mác thép này đòi hỏi phải có quy trình công nghệ tốt: chọn kim loại hàn (Sử dụng que hàn bazơ ít hydro, chế độ công nghệ (Sử dụng phương pháp giảm lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn ), nung nóng sơ bộ trước trong và sau khi hàn mới có thể tạo ra mối hàn có các đặc tính cơ lý tốt

Thép có hàm lượng cacbon tương đương ở mức trung bình hay thấp có tính hàn tốt hơn Loại thép này thuộc loại thép các bon thông dụng, có tính hàn tốt, đây thường

là thép các bon cán nóng không qua nhiệt luyện Các kết cấu chế tạo từ các loại thép này thường không qua nhiệt luyện sau khi chế tạo.Do có hàm lượng cacbon thấp, quá trình chế tạo chỉ qua cán nóng nên thép này chỉ có cấu trúc Ferrite Mặt khác, hàm lượng của các nguyên tố hợp kim có lợi như Mn, Si cũng chỉ ở mức rất thấp

nên chúng chỉ được coi là tạp chất có lợi và ảnh hưởng của chúng đến tính chất của thép là không nhiều Các mối hàn từ thép này nói chung không bị nứt nóng, tuy vậy với hàm lượng cacbon cao hơn 0.2 % và tấm dày hơn 15 mm thì mối hàn góc một lớp hay lớp hàn cuối cùng vẫn có thể bị nứt nóng do tốc độ nguội lớn (Làm tăng tốc

độ biến dạng của kim loại trong quá trình mối hàn kết tinh) Biện pháp khắc phục thường được sử dụng là nung nóng sơ bộ chi tiết hàn [1]

2.2.2.Ứng xử của thép không gỉ khi hàn nóng chảy

Thép không gỉ là loại thép có hàm lượng các bon rất thấp < 0.10% trong khi đó hàm lượng các nguyên tố hợp kim lại rất cao Đặc điểm của loại thép này so với thép các bon là có hệ số dẫn nhiệt thấp và hệ số dãn nở nhiệt cao Điều này dễ gây nên ứng suất gia tăng trong quá trình nguội khi hàn

Khi hàn thép không gỉ Austenit có những vấn đề chính sau đây (Nguồn [1]):

1 Nứt nóng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

2 Giòn kim loại mối hàn thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt độ cao

3 Suy giảm cơ tính của thép do hệ số giãn nở nhiệt cao

4 Phá hủy liên kết hàn thép do ăn mòn tinh giới

5 Phá hủy liên kết hàn thép do ăn mòn dưới ứng suất

Do đó để giải quyết các ảnh hưởng trên, khi hàn thép không gỉ cần phải: Làm mịn các hạt tinh thể khi cho các hạt này kết tinh bằng cách làm mất tính định hướng của chúng, giảm chiều dày lớp cùng tinh, để kim loại mối hàn chứa một lượng nhất định ferit sơ cấp

- Sử dụng vật liệu hàn chứa ít tạp chất S, P, giảm lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn

- Khử ứng suất dư, khử biến cứng, tạo tính đồng nhất cho liên kết hàn, kết hợp ủ

ổn định hóa tổ chức kim loại mối hàn

2.3 Công nghệ hàn nóng chảy thép khác chủng loại

2.3.1 Đặc điểm khi hàn nóng chảy thép khác chủng loại

Mặc dù có rất nhiều khó khăn khi hàn, các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại khác nhau về chủng loại có ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp do những ưu điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, năng lượng, đóng tàu, kỹ thuật điện, kỹ thuật hàng không và kỹ thuật tên lửa Điều

này dẫn đến những đòi hỏi mới đối với công nghệ hàn nói riêng và kỹ thuật nối ghép các loại vật liệu đó với nhau nóichung

Các kết cấu kim loại khi đó có thể chứa các liên kết hàn từ các thép khác chủng loại với nhau; các liên kết hàn giữa thép các bon với thép không gỉ hoặc thép hợp kim khác Các cặp kim loại khác chủng loại có thể được hàn với nhau bằng các quá trình hàn ở trạng thái rắn (solid state) hoặc trạng thái lỏng (fusion state) Tuy nhiên trong một số trường hợp với dạng kết cấu đặc thù (về các mặt vật liệu, hình thái kết cấu, yêu cầu của mối ghép, ), các quá trình hàn ở trạng thái rắn lại không đáp ứng được khả năng chế tạo như các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy (fusion state) Do vậy

mà các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy khi đó lại được ưu tiên sử dụng để chế tạo sản phẩm Trong thực tế, các quá trình hàn ở trạng thái nóng chảy hay được sử dụng để hàn các cặp kim loại khác chủng loại gồm các quá trình hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực vonfram (TIG) và điện cực nóng chảy (MIG), hàn bằng hồ quang Plasma hoặc hàn bằng các nguồn tia năng lượng cao như chùm tia Laser và chùm tia điệntử

Xét về tính hàn, hầu hết các cặp kim loại khác chủng loại có sự khác biệt khá nhiều

về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng, lý - hóa tính và đặc biệt là hệ số dãn nở nhiệt Chúng cũng có thể còn khác nhau cả về mặt cấu tạo mạng tinh thể và thông

số mạng Với những kim loại có hoạt tính mạnh như titan, niobi, tantan, molybden,

do mức độ hòa tan lẫn nhau để tạo thành dung dịch rắn của các kim loại cơ bản không cao, khi hàn còn có thể hình thành các hợp chất hóa học giữa các kim loại (tổ chức liên kim – IMC) với đặc điểm là rất giòn và cứng [1, 7]

Theo tài liệu [1], quá trình hình thành liên kết hàn vững chắc khi hàn các cặp vật liệu khác chủng loại có thể được tóm tắt trong hai giai đoạn như sau:

Giai đoạn chuẩn bị: các kim loại được đưa tới gần nhau đến khoảng cách đủ để

hình thành liên kết giữa các nguyên tử, bằng các cơ chế: quá trình thấm ướt pha lỏng vào bề mặt rắn của kim loại (khi hàn nóng chảy, hàn vảy) hoặc cùng xảy ra biến dạng dẻo hai kim loại ở trạng thái rắn (khi hàn áp lực, cán dính) hoặc thông qua quá trình khuếch tán (khi hàn khuếchtán)

Giai đoạn kết thúc: hình thành liên kết vững chắc, trong đó các quá trình lượng tử

của sự tương tác giữa các điện tử đóng vai trò nhất định, dẫn tới hình thành hoặc liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) hoặc liên kết hóa trị (kim loại, hợp chất hóa học, liên kim,oxit, ) [1]

Trong luận văn này sử dụng quá trình hàn MIG để hàn cặp thép không gỉ với thép các bon ở trạng thái nóng chảy, nên trong khuôn khổ của bản luận văn này tác giả chỉ trình bày các đặc điểm và cơ chế hình thành liên kết hàn thép không gỉ – thép cacbon ở trạng thái nóng chảy thông qua quá trình khuếch tán và kết tinh kim loại bằng nguồn nhiệt của hồ quang điện

Theo các tài liệu [1, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33], đối với các giai đoạn tương tác vật lý và hóa học, yếu tố thời gian và các điều kiện xảy ra các quá trình này mang tính quyết định đến độ bền của liên kết hàn và khả năng hình thành các hợp chất hóa học Sự tiếp diễn của các quá trình tương tác giữa các điện tử tại bề mặt tiếp xúc đòi hỏi phải có một năng lượng kích thích để gây hoạt hóa trên bề mặt Năng lượng này

có thể ở dưới dạng nhiệt năng (hoạt hóa bằng nhiệt), cơ năng (hoạt hóa bằng biện pháp cơ học) hoặc dưới dạng bức xạ (hoạt hóa bằng bứcxạ)

Khi hàn các cặp kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, các nguyên tử được đưa gần tới nhau thông qua sự thấm ướt của kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn lên bề mặt đã được hoạt hóa của kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn bằng chính nguồn nhiệt hàn [1]

Trong trường hợp liên kết kim loại khác chủng loại, do sự phục hồi nhiệt nên quá trình khuếch tán bị cản trở và sự tương tác hóa học bị trễ Nguyên nhân của sự trễ này là tại bề mặt tự do của kim loại rắn hoặc lỏng, các nguyên tử không ở trạng thái cân bằng vì thiếu liên kết hoặc do liên kết yếu dưới tác động của môi trường xung quanh Điều này làm tăng năng lượng lớp bề mặt (ES) so với năng lượng (E0) cần cho nguyên tử dịch chuyển bên trong vật liệu

Khi hàn các kim loại khác chủng loại ở trạng thái nóng chảy, do sự hình thành nhanh chóng sự tiếp xúc vật lý giữa kim loại lỏng và kim loại rắn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, trên danh giới các pha sẽ hình thành đỉnh của năng lượng giữa các pha (EB) vì sự chuyển tiếp của hệ nguyên tử sang trạng thái mới không xảy ra lập tức mà kèm theo sự trễ nhất định Chính hiện tượng này xác định giai đoạn trễ [1] Nếu thời gian tiếp xúc của kim loại lỏng và kim loại rắn trong liên kết hàn ngắn hơn giai đoạn trễ, hoàn toàn có thể hình thành liên kết có độ hòa tan hạn chế mà không chứa các lớp hợp chất giòn trung gian (lớp hợp chất liên kim – IMC) Thời gian trễ

có thể xác định theo công thức dưới đây:

Trong đó:

R – thời gian trễ (thời gian nguyên tử tồn tại trước rào cản thế năng) [s]

0 – giai đoạn ủ của quá trình không hoạt hóa (ER + EL = 0) [s] e – điện tích của điện

2.3.2 Các quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới khi hàn nóng chảy

Xét về mặt kim loại học, trong công nghệ hàn, cùng với quá trình biến đổi tổ chức kim loại thì hai quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới cũng là hai quá trình rất quan trọng, quyết định đến việc hình thành tổ chức và tính chất của cả KLMH và vùng ảnh hưởng nhiệt (VAHN, HAZ) Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các nguyên tử (ion, phân tử) do dao động nhiệt, trong đó khuếch tán của nguyên tử

A trong nền của chính loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuếch tán, còn khuếch tán của nguyên tử khác loại B có nồng độ nhỏ hơn trong nền A gọi là khuếch tán khác loại Khuếch tán của cả A và B trong nền A hoặc B gọi là khuếch tán tương hỗ Trong khuếch tán khác loại và khuếch tán tương hỗ luôn có dòng nguyên tử theo chiều giảm nồng độ [7] Trên Hình 2.1 mô tả 5 cơ chế khuếch tán trong kim loại ở trạng thái rắn Trong đó các cơ chế đổi chỗ, nút trống, đuổi nguyên tử hay đổi chỗ kiểu vòng thường xảy rađối với dung dịch đặc thay thế Cơ chế khuếch tán giữa các nút mạng thường xảy ra đối với dung dịch đặc xen kẽ, trong trường hợp các nguyên

tử khuếch tán có đường kính nhỏ hơn nguyên tử nền

Quá trình khuếch tán kim loại tuân theo các định luật khuếch tán Fick I và II, trong

đó để có thể thực hiện được quá trình khuếch tán, các nguyên tử phải có một “hoạt năng” đủ lớn để thắng được các lực liên kết nguyên tử giữa nó với các nguyên tử bên cạnh

Hình 2.1 Các dạng cơ chế khuếch tán kim loại ở trạng thái rắn (nguồn: [7])

Quá trình khuếch tán trong kim loại là ngẫu nhiên, tuy nhiên các loại vật liệu có “ái lực hóa học” với nhau lớn sẽ có xu hướng tích tụ lại gần nhau để hình thành một dạng liên kết hóa học hình 2.2.Các giai đoạn của quá trình kết tủa (tiết pha) mới trong kim loại (nguồn: [9])bền vững và quá trình này gọi là quá trình kết tủa hay tiết pha [8] Trên Hình 2.2 mô tả các giai đoạn của quá trình tiết pha mới trong kimloại

Hình 2.2: mô tả các giai đoạn của quá trình tiết pha mới trong kimloại

Quá trình tiết pha mới chỉ hoàn thiện khi mà nguyên tử chất tan khuếch tán vào trong nguyên tử nền ở một lượng đủ lớn (vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa của nguyên tử đó trong nền) và tích tụ tại vị trí kết tủa với một tỷ lệ phù hợp để hình thành các hợp chất hóa học bền vững Trong trường hợp lượng nguyên tử khuếch tán vào nền chưa đạt đến giới hạn hòa tan bão hòa thì kết quả nhận được chỉ là dung dịch đặc mà không hình thành các phamới

Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại được mô tả trong Hình 2.3, trong đó Hình 2.3a mô tả kết quả của quá trình khuếch tán với một lượng nhỏ nguyên tử ngoại lai, chỉ đủ hòa tan thành dung dịch đặc mà không hình thành pha

Hình 2.3 Các dạng kết quả sau quá trình khuếch tán trong kim loại

mới Các hình từ 2.3b đến 2.3d mô tảkết quả của quá trình khuếch tán với một lượng lớn nguyên tử ngoại lai vào nền, vượt quá mức bão hòa, đã kết tủa ra pha mới, trong đó dạng pha kết tủa không liền mạng với pha mẹ (Hình 2.3d) có liên kết kémnhất

Không chỉ có đúc và nhiệt luyện, quá trình khuếch tán kim loại và tiết pha mới còn thường xuyên xảy ra trong quá trình hàn Kết quả khuếch tán và tiết pha trong quá trìnhhàn rất đa dạng và phong phú Trong khuôn khổ của bản luận văn này, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu quá trình hình thành và tiết pha cacbit (nếu có) để tạo

ra liên kết hàn giữa thép cacbon CCT38, C50 và thép không gỉ SUS304

2.3.3 Sự hình thành kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

Theo tài liệu [1], mối hàn có thể do kim loại đắp và kim loại cơ bản hoặc chỉ do kim loại cơ bản tạo nên

Kim loại nóng chảy trong vũng hàn, sau khi kết tinh có tổ chức gần giống kim loại đúc Nó có thành phần hóa học khác với kim loại cơ bản và kim loại đắp Mặc dù kim loại đúc nói chung có cơ tính thấp, song mối hàn vẫn có thể có cơ tính cao do trong quá trình hàn kim loại mối hàn được hợp kim hóa và tinh luyện (Khử S, P) Mặt khác khi kết tinh, nó có tổ chức hạt mịn và thiên tích vùng nhỏ

1 Đối với kim loại mối hàn:

Trong quá trình hàn, vũng hàn kết tinh và hình thành mối hàn có cấu trúc như sau: Tại các mầm kết tinh, từ pha lỏng hình thành và phát triển các tinh thể theo 3 dạng: Lớp hạt mịn, tinh thể hình kim, tinh thể hình kim-nhánh cây và nhánh cây Do lớp kim loại lỏng nằm sát với kim loại cơ bản có tốc độ nguội nhanh nên có hạt mịn Trong các kim loại nguyên chất, mối hàn chủ yếu kết tinh theo dạng hình kim Đây

là các hạt kim loại song song với nhau theo hướng kết tinh (hướng tản nhiệt) và có kích thước ngang 10-5 - 10-6 cm Tinh giới của chúng là nơi tích tụ các tạp chất Theo hướng vào giữa vũng hàn, các hạt này lớn dần và có thể chứa các nhánh cây, khiến chúng dần trở thành các tinh thể nhánh cây Phần trung tâm vũng hàn, vì có tốc độ nguội chậm hơn cả và hướng tản nhiệt không theo một phương nhất định nào nên có tổ chức hạt to và đa diện, đồng thời do thiên tích nên chứa nhiều tạp chất phi kim loại hơn các phần khác

Khi hàn một lượt, kim loại mối hàn có cấu trúc hình cột Chúng thường bao gồm nhóm các tinh thể hình kim Tùy theo hàm lượng, phân bố của tạp chất và tốc độ

nguội, tổ chức thô đại của kim loại mối hàn có thể là hình kim, hình kim - nhánh cây hoặc hình nhánh cây Tùy theo điều kiện hàn, kích thước tiết diện ngang của tinh thể hình cột có thể thay đổi trong dải rộng 0.3-3mm Các tinh thể có kích thước mịn nhất ở chân mối hàn và càng gần tâm mối hàn, chúng càng thô và có cấu trúc hỗn hợp

Khi hàn thép khác chủng loại, kim loại mối hàn do vật liệu hàn (kim loại đắp)và hai kim loại cơ bản khác nhau về thành phần hóa học và tính chất tạo nên Vì vậy các liên kết hàn các liên kết hàn sẽ có sự dị biệt đáng kể về thành phần hóa học, cấu trúc

và cơ tính

Hình 2.4 Liên kết hàn thép cacbon-thép không gỉ austenit

Khi hàn nhiều lớp, còn có sự khác biệt trong kim loại mối hàn (thành phần hóa học của các lớp hàn không giống nhau do thành phần hóa học của mỗi lớp hàn được quyết định bởi phần kim loại đắp và phần kim loại cơ bản từ mối phía mối hàn)

Có thể tính được thành phần hóa học của từng lớp hàn nếu biết trước phần hòa tan của kim loại đắp và kim loại cơ bản vào tứng lớp Phần hòa tan này thay đổi tùy theo từng loại quá trình hàn và chế độ hàn

Để đánh giá sơ bộ thành phần và tổ chức kim loại của kim loại mối hàn theo phần hòa tan của kim loại cơ bản và kim loại đắp, có thể sử dụng giản đồ Schaeffler Với giản đồ này, khi biết trước tính chất vùng đường chảy, có thể xác định phần hòa tan tối đa của kim loại cơ bản vào mối hàn và đánh giá khả năng sử dụng của các vật liệu hàn và quá trình hàn đã biết [1]

Hình 2.4: Giản đồ Schaeffler (nguồn: [1])

2 Vùng đường chảy của liên kết hàn

Khi lựa chọn vật liệu và đánh giá khả năng làm việc của liên kết hàn, cần đặc biệt chú ý đến vùng đường chảy (có thành phần khác) giữa kim loại cơ bản và mối hàn Vùng này thường là nơi phát sinh phá hủy do giòn, ăn mòn hoặc mỏi Cấu trúc và tính chất của vùng này phụ thuộc chủ yếu 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 Khi thành phần hóa học mang tính đồng nhất trong phạm vi một lớp hàn, tại các khu vực gần đường chảy có một lớp kết tinh Hàm lượng các nguyên tố tại lớp này thay đổi liên tục theo hướng từ kim loại cơ bản đến kim loại mối hàn Lớp kết tinh này hình thành từ các điều kiện kết tinh của kim loại mối hàn (có thành phần hóa học khác với kim loại cơ bản) Tùy theo loại quá trình và chế độ hàn, chiều rộng các lớp này vào khoảng 0.2-0.6 mm 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 cùng chủng loại cấu trúc hoặc hàn thép thuộc loại peclit (thép hợp kim thấp) với thép không gỉ thì trong phần lớn trường hợp tính chất của các lớp kết tinh này nằm giữa các giá trị tính chất của kim loại cơ bản và kim loại mối hàn Các lớp như vậy thường không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của liên kết hàn

Tuy nhiên khi hàn thép khác loại cấu trúc (Phổ biến nhất là khi hàn thép loại peclit với thép austenit), các lớp này có thành phần thay đổi từ 3-12% Cr và 2-7%Ni Các

lớp này có cấu trúc mactenzit hợp kim cao mang đặc tính giòn và có độ cứng lớn Mức độ dự trữ austenit của thép (đương lượng Ni và Cr) càng nhỏ thì chiều dày của lớp đó càng lớn

Hình 2.5 Vùng đường chảy liên kết hàn thép cacbon-thép không gỉ

Cấu trúc và tính chất vùng đường chảy của các liên kết hàn loại này chịu ảnh hưởng của các lớp khuếch tán Các lớp khuếch tán này là kết quả của dịch chuyển cacbon vào khu vực có mức độ hợp kim hóa cao hơn; vì vậy hình thành lớp nghèo cacbon ở phía kim loại cơ bản có mức độ hợp kim hóa thấp và lớp giàu cacbon ở phía kim loại cơ bản cơ bản có mức độ hợp kim hóa cao (hình 2.5) Lớp khuếch tán này phát triển mạnh nhất trong các liên kết hàn thép cacbon với thép không gỉ austenit, hoặc thép cacbon với thép ferit có hàm lượng Cr nâng cao và chứa các nguyên tố tạo cacbit mạnhmạnh khác trong quá trình nhiệt luyện thép hoặc trong quá trình vận hành ở nhiệt độ cao (độ bền kéokhuếch tán là nhỏ ngay sau khi hàn) Về mặt cơ chế quá trình này là quá trình khuếch tán của hệ nhiều thành phần, trong đó, hướng và tốc độ khuếch tán không do gradient hàm lượng các nguyên tố (ví dụ cacbon) trên đường chảy mà là do gradient thế năng hóa học của hệ quyết định Điều này có nghĩa là hướng và tốc độ khuếch tán tại đường chảy được quyết định bởi sự chênh lệch hoạt tính nhiệt động học của cacbit trong các vật liệu tiếp xúc của liên kết hàn

và có liên quan đến phản ứng hình thành các loại cabit có độ ổn định cao (của Mn,

Cr, W, V, Mo, Nb, Ti với cacbon từ thép có mức độ hợp kim hóa thấp hơn chuyển sang; tại đó, cementit có mức độ ổn định kém hơn nhiều) Loại quá trình khuếch tán này còn được gọi là quá trình khuếch tán phản ứng [1]

2.3.4 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến sự hình thành liên kết hàn thép cacbon – thép không gỉ

Hàn thép khác chủng loại nói chung và thép cacbon và thép không gỉ nói riêng có thể thực hiện được bằng hầu hết các quá trình hàn thông dụng Với thép cùng nhóm

tổ chức kim loại, có thể sử dụng chế độ và công nghệ hàn như thép đồng nhất chủng loại

Trong trường hợp các thép khác nhau về tổ chức kim loại, cần chọn chế độ và công nghệ hàn sao cho kim loại cơ bản bị nung chảy là tối thiểu

Những yếu tố quyết định sự lựa chọn loại quá trình hàn, vật liệu hàn, chế độ hàn và khả năng làm việc sau này của liên kết hàn là:

- Những vấn đề liên quan đến tính hàn

- Tính khác của bản thân kim loại mối hàn do mức độ hợp kim hóa của kim loại

cơ bản nóng chảy khác với kim loại đắp

- Sự hình thành vùng đường chảy (là vùng bao gồm đường chảy và lớp kim loại mối hàn và lớp vùng ảnh hưởng nhiệt liền kề có thành phần hóa học thay đổi)

Đó là các lớp kết tinh và biến dạng có độ bền và tính dẻo thấp

- Sự hình thành ứng suất dư trong liên kết hàn mà không thể bị loại bỏ được bằng biện pháp nhiệt luyện do các kim loại cơ bản điều kiện nhiệt luyện và hệ số dẫn

nở nhiệt khác nhau

Những yếu tố trên có ảnh hưởng đến sự hình thành khác nhau về mặt thành phần hóa học, tổ chức kim loại và cơ tính của liên kết hàn [1]

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian khuếch tán kimloại:

Qua các nghiên cứu và phân tích ở trên có thể thấy rằng, trong quá trình nối bằng nhiệt (hàn) các vật liệu khác chủng loại thì sự hình thành các pha cacbitđóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền của mối ghép Tùy thuộc vào quá trình hàn cụ thể, nhiệt độ và thời gian mà kim loại mối hàn tồn tại ở trạng thái lỏng là hai thông

số quan trọng nhất quyết định đến khả năng khuếch tán của các nguyên tử kim loại vào nhau và qua đó hình thành kết tủa ra các pha cacbit bất lợi làm cho liên kết hàn

bị giòn, cứng Vì vậy, nếu các mối nối từ các vật liệu khác chủng loại yêu cầu có được độ bền và độ dai va đập cao thì việc hình thành các pha cacbit này phải được khống chế ở một kích thước tối thiểu hoặc tốt nhất là không để hình thành các pha

qua việc giảm năng lượng đường và kích thước vũng nóng chảy Theo những nhận xét này, các nguồn hàn xung với năng lượng đường nhỏ và tập trung là những công

cụ tốt nhất đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong mốihàn:

Khi hàn thép cacbon với thép austenit cần dùng vật liệu hàn austenit có mức độ austenit hóa cần thiết để kim loại mối hàn có cấu trúc austenit-ứng dụng của giản đồ Schaeffler Điều này ngăn sự xuất hiện các vùng giòn có chứa cấu trúc mactenzit tại chân mối hàn và tại vùng nằm kề thép cacbon Do tính chất khác nhau, người ta không nhiệt luyện mối hàn như vậy (chế độ nhiệt luyện có thể cải thiện tính chất của một trong hai loại thép mà thôi, hơn nữa do khác biệt về sự giãn nở nhiệt của chúng, ram cao

Với những kim loại có hoạt tính mạnh như titan, niobi, tantan, molybden, do mức

độ hòa tan lẫn nhau của các kim loại cơ bản không cao, khi hàn có thể hình thành các hợp chất giữa các kim loại giòn và cứng

Trong tổ chức kim loại của thép Austenit các nguyên tố C, Si, Al, Mo, Nb, Ti, W, V hầu hết đều là các nguyên tố tạo cacbit, đồng thời là các nguyên tố ổn định hóa pha

ferit Các nguyên tố Ni, C, Co, Cu, Mn, B đều có tác dụng ổn định hóa phaaustenit

2.3.5 Chọn vật liệu để hàn nóng chảy liên kết thép cacbon – thép không gỉ bằng quá trình hàn hồ quang

Việc chọn vật liệu hàn phải dựa trên cơ sở tạo thành mối hàn không bị nứt, không bị giòn và có các tính chất cơ, lý, hóa tính như mong muốn của yêu cầu kỹ thuật đã được thiết kế

Phương pháp hàn

Trên cơ sở phân tích ở trênthấy rằng có rất nhiều các phương pháp hàn hồ quang có thể dùng để hàn thép cacbon và thép không gỉ: Hàn hồ quang tay, hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn trong môi trường khí bảo vệ (điện cực nóng chảy hoặc điện cự không nóng chảy), hàn điện cực lõi bột Tuy nhiên để đáp ứng yêu cầu mục đích của luận văn cùng với tính ứng dụng rộng rãi và khả năng đáp ứng tính công nghệ tốt tác giả chọn phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ với điện cực nóng chảy (MIG)

đề hàn thép cacbon và thép không gỉ, với các đặc điểm nổi bật sau:

- Trước tiên hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ có thể hàn được các vật liệu có chiều dày lớn.Điều này đặc biệt quan trong, vì các thiết bị, các cấu kiện

được ứng dụng hàn các vật liệu khác chủng loại thường có kích thước chiều dày khá lớn

- Khí trơ không những có tác dụng ổn định hồ quang tốt mà còn hạn chế được mức độ oxi hóa các nguyên tố hợp kim khi hàn, điều này cũng rất cần thiết vì trong thành phần hóa học của thép không gỉ austenit có chứa rất nhiều các nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, Si, Mn, Mo, Cu )

- Quá trình hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cự nóng chảy có thể tiến hành trong môi trường khí hoạt tính, khí trơ hoặc hỗn hợp hai loại khí trên Nó cho phép thay đổi đặc trưng luyện kim (thông qua thay đổi thành phần khí) Argon cho hồ quang chuyển dịch dạng giọt hoặc dạng tia Dịch chuyển dạng tia đặc trưng bởi hồ quang có tính ổn định cao, không có bắn téo Hỗn hợp argon với 3-5% O2 cho phép giảm giá trị dòng tới hạn, giảm rỗ khí do hydro gây ra Hỗn hợp argon với 15-20% CO2 cho phép tiết kiệm được khí trơ argon, nhưng lượng nguyên tố hợp kim bị oxi hóa tăng

- Tuy nhiên khi hàn trong môi trường khí CO2, kim loại mối hàn có thể chứa thêm 0.02-0.04% C nếu kim loại là thép chứa ít hơn 0.1% C (với mục đích giảm khả năng ăn mòn tinh giới) Trong trường hợp này dây hàn phải chứa đủ lượng nguyên tố khử oxi và các nguyên tố tạo cacbit như Ti và Al

- Một ưu điểm nữa của quá trình hàn này là cho phép hàn ở nhiều tư thế khác nhau, điều này rất thích hợp cho hàn ở hiện trường, hàn sửa chữa

Bảng 2.2 Cơ tính của thép CCT38 (nguồn: [2])

Vật liệu cơ

bản

Độ bền kéo [MPa]

Giới hạn chảy [MPa]

Độ giãn dài tương đối,

Giới hạn chảy [MPa]

Độ giãn dài tương đối [%]

- Thép không gỉ: Thép tấm dày 12mm mác SUS304

Các chỉ tiêu cơ tính và thành phần hóa học của các loại thép này được cho trong các bảng sau:

Bảng 2.5 Thành phần hóa học của thép SUS304 (nguồn: [4])

8.0-Bảng 2.6 Cơ tính của thép SUS304 (nguồn: [4])

Vật liệu cơ

bản

Độ bền kéo [MPa]

Giới hạn chảy [MPa]

Độ giãn dài tương đối

[%]

Chọn vật liệu hàn

Vật liệu hàn được chọn có thành phần hợp kim cao, tạo ra mối hàn có tổ chức austenit Ở đây tác giả chọn dây hàn GM-308L – hệ hợp kim Cr-Ni có chứa 18-22%Cr và 9-11% Ni kết hợp với sử dụng loại khí bảo vệ là Argon +1-2% O2 Loại dây hàn này có một số đặc điểm như sau:

- GM-308L là loại dây hàn có hàm lượng Carbon thấp(<0.08%),hàm lượng Cr, Ni cao, hàm lượng Mangan trung bình, tạp chất Lưu huỳnh, Photpho vô cùng nhỏ (P< 0.04%, S< 0.03%),tạo ra mối hàn có độ bền và độ dẻo dai cao Đặc biệt với hàm lượng Crôm, Niken cao đảm bảo hệ kim loại mối hàn có tính chống gỉ, chịu

ăn mòn bởi axit và chỉ tiêu cơ tính rất cao

- GM-308L được chế tạo có độ chính xác cao, hướng dây đều làm cho quá trình hàn rất ổn định

- GM-308L thích hợp dùng hàn cho thép không gỉ (Inox) các loại như E304; E305, E308… đôi khi với chất lượng cơ tính tốt, độ bền và dẻo dai cao, GM-308L còn được sử dụng trong các kết cấu chịu tải trọng lớn, chịu mài mòn cao

- GM-308L được hàn theo công nghệ bán tự động với khí bảo vệ 100% Argon (Hàn MIG) tạo ra mối hàn ổn định ít bắn toé GM-308L thích hợp sử dụng cho hàn các loại bồn chứa hoá chất, kết cấu chịu lực, chịu axit cũng như các thiết bị y tế.Thành phần hóa học và các chỉ tiêu cơ lý của dây hàn GM308L được thể hiện trong các bảng sau:

Bảng 2.7: Thành phần hóa học dây hàn GM308L (nguồn [5]

Yêu cầu ≤ 0.08 0.5 ~ 2.5 ≤ 0.9 ≤0.04 ≤0.03 18~21 9 ~11

Bảng 2.8: Cơ tính dây hàn GM308L (nguồn [5]

GM308L Độ bền kéo[MPa] Giới hạn chảy [MPa] Độ giãn dài tương đối [%]

2.4 Kết luận 2:

Hàn các vật liệu khác chủng loại giữa thép cacbon và thép không gỉ đang là vấn đề được quan tâm nhiều không chỉ trong nước mà đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trên thế giới, các kết cấu hàn từ vật liệu kim loại khác nhau về chủng loại nói

chung có ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp do những ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế, đặc biệt là trong các ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, hoá chất, thực phẩm, năng lượng, đóng tàu, y tế, hàng không vũ trụ và nhóm các ngành công nghệ cao,… Điển hình là xu hướng giảm giá thành, tăng tuổi thọ trong các kết cấu kim loại hoặc sử dụng vật liệu chống ăn mòn, dẫn đến việc sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau trong một chi tiết hay kết cấu Điều này dẫn đến những đòi hỏi mới đối với công nghệ hàn và nối các loại vật liệu đó vớinhau

Để hàn thành công các vật liệu khác chủng loại, cần thực hiện triệt để các biện pháp nhằm giảm xuống mức tối thiểu thời gian các kim loại được hàn với nhau ở trạng thái lỏng, nhờ đó làm giảm kích thước các lớp giòn từ các pha liên kim bất lợi Các biện pháp công nghệ tiếp theo bao gồm bảo vệ hữu hiệu kim loại khi hàn khỏi tác động của không khí bên ngoài khi hàn; ngăn ngừa sự hình thành các pha cacbit có đặc tính giòn, cứng nhờ sử dụng công nghệ hàn và chọn loại vật liệu hàn thích hợp

Ở chương này, tác giả đã đi sâu vào tìm hiểu đầy đủ các đặc điểm, tính chất và tính hàn của các loại vật liệu cơ bản; nghiên cứu đầy đủ các đặc điểm của hàn các vật liệu khác chủng loại nói chung và giữa thép không gỉ austenit SUS304 với thép CCT38, C50 nói riêng; đã đưa được bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn thép không gỉ – thép cacbon cũng như ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hàn, thông qua đó đã đề ra được các biện pháp kỹ thuật thích hợp sử dụng trong quá trình hàn thử nghiệm ở chương sau

Từ những nghiên cứu ở trên, có thể tóm lại rằng để hàn thành công thép cacbon với thép không gỉ SUS304 như đề tài luận văn đề cập, cần phối hợp và thực hiện triệt để

3 nhóm giải pháp kỹ thuật sau đây:

Giải pháp về vật liệu: Như đã trình bày ở trên vật liệu hàn chọn là loại GM308L có

thành phần hợp kim (Cr, Ni) cao, có các chỉ tiêu cơ lý hóa tính phù hợp với kim loại

cơ bản

Giải pháp về kết cấu: Vát mép các tấm thép hợp lý và chọn tư thế hàn thích hợp để

hạn chế lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn, giảm chiều sâu ngấu tránh hiện tượng chênh lệch quá lớn hàm lượng cacbon tại biên giới các đường chảy Trong quá trình hàn cần tránh hiện tượng ôxi hoá để nhằm mục đích giảm mức năng lượng hoạt hóa Kẹp chặt chi tiết hàn bằng đồ gá và bảo đảm đúng kích thước khe

hở hàn

Giải pháp về công nghệ: Sử dụng quá trình hàn ít hydro, có khí trơ bảo vệ (MIG)

Làm sạch dầu mỡ bảo quản trên phôi, đặc biệt là làm sạch triệt để mép hàn khỏi các lớp gỉ, bụi bẩn… bằng phương pháp cơ học (bàn chải có sợi thép không gỉ, giấy ráp) Trong trường hợp này không dùng thuốc hàn vì phức tạp trong khâu xử lý thuốc dư Sử dụng năng lượng đường thấp, khống chế vũng hàn nhỏ, hàn ở tốc độ cao, hàn nhiều lớp Kiểm soát chặt chẽ chu trình nhiệt hàn (nhiệt độ và thời gian khuếch tán kim loại) Để hồ quang tập trung và tránh bị thổi lệch khi hàn bằng cách

sử dụng khí bảo vệ argon

Ba nhóm giải pháp này sẽ là cơ sở khoa học quan trọng áp dụng trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm ở chương 3 nhằm tạo ra được liên kết có cơ lý tính tốt cho hàn thép cacbon và thép không gỉ austenit như đối tượng nghiên cứu đã nêu trong phần mở đầu

Quá trình tiến hành thực nghiệm hàn liên kết giữa thép cacbon và thép không gỉ bằng liên kết hàn giáp mối trên mẫu có chiều dày 12 mm như đề tài luận văn đề cập

có sử dụng các loại trang thiết bị và dụng cụ dưới đây

3.2 Trang thiết bị thínghiệm

và đặc tính kỹ thuật sau: hiển thị chính xác các thông số công nghệ nhờ đồng hồ digital và ampe kìm tích hợp trong máy, hoạt động ổn định nhờ hệ thống ổn áp tích hợp, hệ điều khiển inverter với dòng hàn mịn, điều chỉnh vô cấp các thông số công nghệ, Hiệu suất làm việc cao, mạch thông minh ngăn chặn mọi nguy cơ quá nhiệt hoặc quá điện ảnh hưởng đến máy, có chức năng hàn 4T để có thể gá trên xe hàn tự hành bảo đảm quá trình hàn cơ giới hóa, công suất đủ lớn và hiệu suất cao,

Dựa vào những yêu cầu nêu trên, loại thiết bị hàn được chọn để nghiên cứu trong luận văn này là máy hàn WIM MIGWELD 280ESF của Malaysia Hình ảnh và các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị được liệt kê trong hình 3.1

- Điện áp vào: 415V

3Pha/380 Dòng đầu vào: 24A

40 Khả năng hàn dây: 0.640 0.8-1.0-1.2mm

Bảng 3.1 Các trang thiết bị phụ trợ và mục đích sử dụng

TT Loại dụng cụ/ thiết bị Mục đích sử dụng

2 Găng tay da - Dùng bảo vệ tay cho thợ hàn

3 Máy mài cầm tay - Dùng để mài bề mặt tấm thép và mối

hàn

4 Bàn chải sợi thép không gỉ Đánh sạch ôxit sắt, chất bẩn, xỉ hàn

trên bề mặt tấmthép và mối hàn

3.3 Mẫu thínghiệm

3.3.1 Vật liệu mẫu hàn và dâyhàn

Như đã đề cập đến ở trên, phôi hàn dùng làm thí nghiệm phải đảm bảo đúng mác CCT38, C50 và SUS304 Dây hàn phải được chọn đúng loại GM-308L như đã phân tích ở chương 2 Nên chọn dây hàn của các hãng có uy tín vì thành phần hóa học chính xác, ít tạp chất Trong luận văn này, tác giả chọn dây hàn GM 308L của hãng sản xuất nhà máy vật liệu hàn Kim Tín

Các tấm phôi nhập về phải được làm sạch sơ bộ khỏi các chất bẩn và bảo quản, sau

đó tiến hành cắt thành các tấm nhỏ phù hợp với yêu cầu sử dụng

Kích thước của các tấm phôi phải bảo đảm sau khi hàn thử nghiệm xong phải lấy đủ

số lượng mẫu để tiến hành thử nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, hóa tính theo tiêu chuẩn AWS D1.1, cụ thể ở đây tác giả chọn phôi có kích thước là 200 x 150 x 12 mm Sau khi cắt xong, tiến hành làm sạch lần nữa và mài vát mép tấm thép bằng máy mài cầm tay hoặc bằng máy gia công cơ khí

Hình 3.2 Dạng chuẩn bị liên kết hàn theo quy phạm AWS D1.1

Hình 3.3 Các mẫu phôi thí nghiệm

3.4 Xây dựng thí nghiệm

3.4.1 Sơ đồ gá kẹp và hàn đính mẫu thínghiệm

Liên kết hàn đưa ratrong luận văn này là hàn giáp mối các thép tấm với nhau nên về công nghệ hàn loại liên kết này không yêu cầu cao về công tác gá kẹp

Tác giả đã chọn quá trình hàn được tiến hành trên thép tấm có chiều dày 12 mm, các cạnh hàn của vật liệu cơ bản được vát mép chữ V, tư thế hàn bằng (1G) nên quá trình hàn không đòi hỏi sơ đồ gá kẹp phức tạp, chỉ cần chuẩn bị mặt bằng hàn tốt (vị trí đặt mẫu và không gian hàn rộng rãi) để thợ hàn thao tác được thuận lợi, khi hàn bằng thợ hàn có thể sử dụng góc nghiêng mỏ hàn 15-20o Tuy nhiên khi hàn thép cacbon và thép không gỉ austenit mẫu hàn thường bị biến dạng nhiều (cong theo hướng mặt mối hàn) về phía thép không gỉ (do thép không gỉ có độ biến dạng nhiệt lớn) Do đó trong quá trình hàn tác giả đã tiến hành hàn đính và sử dụng biện pháp công nghệ tạo góc biến dạng ngược trước (khoảng 12-150

) cho liên kết hàn để khi hàn xong liên kết hàn giữa hai tấm thép không bị cong vênh Sơ đồ bố trí mẫu hàn

và hàn đính đựơc thể hiện trong hình 3.4 và 3.5