(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu xây dựng qui trình chế tạo và kiểm tra mối hàn các vật liệu khác nhau bằng kỹ thuật kiểm tra không phá hủy

TỔNG QUAN

GIỚI THIỆU VỀ KIM LOẠI HÀN

Thép không gỉ là một nhóm thép hợp kim cao, chứa ít nhất 12% crôm [1,

Thép hợp kim được cấu thành từ các nguyên tố hợp kim kết hợp với một nguyên tố khác, giúp chúng chống ăn mòn hiệu quả trong nhiều môi trường Sự kết hợp này không chỉ cải thiện khả năng chống ăn mòn mà còn thay đổi cấu trúc vi mô của thép, từ đó ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất cơ học và khả năng hàn của vật liệu.

Có nhiều hệ thống ký hiệu thép không gỉ, trong đó phổ biến nhất là hệ thống AISI được sử dụng tại Mỹ Trong hệ thống này, thép không gỉ austenit được ký hiệu trong dãy 200 và 300, trong khi thép không gỉ mactenxit và ferrit được ký hiệu trong dãy 400 Để xác định tổ chức kim loại của thép, có thể tham khảo giản đồ Schaeffler, cho biết tổ chức pha gần đúng của thép trong điều kiện cân bằng nhiệt động học dựa trên đương lượng crom (CrE) và đương lượng niken (NiE).

Một phương pháp hiệu quả để đánh giá các đặc tính chung của quá trình luyện kim vật liệu hàn thép không gỉ là sử dụng sơ đồ Schaelfler và Delong Các nguyên tố hợp kim được thể hiện trong giới hạn của hàm lượng niken hoặc crôm tương đương, với niken có xu hướng hình thành austenit và crôm hình thành ferit Bằng cách vẽ tổng giá trị niken và crôm tương đương trên sơ đồ, có thể xác định các pha chính trong thép không gỉ, cũng như giới hạn về % ferit và giá trị ferit tương ứng Thông tin này rất hữu ích trong việc hiểu ứng xử của thép không gỉ trong quá trình hàn.

2.1.1.1 Phân loại a Thép không gỉ austenit: là thép có chứa 17 – 20% Cr và 8 – 13% Ni, 2 -

Nhóm thép không gỉ austenit chứa 3% Mo có khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn tốt và ổn định trong nước sông, nước biển, dung dịch muối cũng như HNO3 với mọi nồng độ, được ứng dụng trong ngành sản xuất axít, hóa dầu và thực phẩm, với các loại thép như 304, 310, 316 có tính hàn tốt Thép không gỉ ferit chứa 13-18% Cr và hàm lượng cacbon thấp ( tốc độ hàn > cường độ dòng điện Ngoài ra, Argon được xác định là khí bảo vệ hiệu quả, giảm thiểu văng bắn trong quá trình hàn.

Nghiên cứu của Pawan Kumar, Dr.B.K Roy và Nishant tại Viện Công nghệ và Quản lý Om, Haryana, Ấn Độ đã tối ưu hóa thông số hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (GMAW) cho thép không gỉ Austenit (AISI 304) và thép cacbon thấp bằng công nghệ Taguchi Nhóm tác giả đã phân tích ảnh hưởng của ba thông số hàn: cường độ dòng điện, điện thế hồ quang và lưu lượng khí bảo vệ Kết quả cho thấy cường độ dòng điện hàn có ảnh hưởng lớn nhất đến độ cứng của kim loại cơ bản, khu vực mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, tiếp theo là điện thế hồ quang và lưu lượng khí bảo vệ, từ đó cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh các thông số hàn.

Nhóm tác giả K Krishnaprasad và Raghu V Prakash đã nghiên cứu sự phát triển của vết nứt do mỏi (Fatigue Crack Growth - FCG) giữa thép không gỉ SS 316L và thép cacbon IS 2062 Grade A bằng phương pháp hàn TIG với dây hàn SS309 Nghiên cứu tập trung vào các khu vực vết nứt khởi phát tại kim loại cơ bản, khu vực mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Kết quả cho thấy tốc độ phát triển vết nứt ở thép không gỉ là thấp nhất, trong khi thép cacbon có tốc độ phát triển nhanh hơn Dữ liệu thu thập cho thấy dải tán xạ hẹp hơn và cường độ chống nứt thấp nhất tại mối hàn, cao nhất tại vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nhóm tác giả Wichan Chuaiphan, Somrerk Chandra – ambhom, Satian Nitawach và Banleng Sonil đã nghiên cứu tính khả thi của việc hàn hai vật liệu khác nhau, cụ thể là thép không gỉ AISI 304 và thép tấm cacbon AISI 1020 với độ dày 15mm Quá trình hàn được áp dụng bao gồm hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ (GTAW/TIG) và hàn hồ quang tay (SMAW).

Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc tế vi của kim loại mối hàn hàn bằng phương pháp TIG có mạng tinh thể ferit trong nền austenit, trong khi mối hàn SMAW có cấu trúc ferit hình nhánh cây mịn Độ cứng của kim loại mối hàn từ cả hai phương pháp đều vượt trội so với kim loại cơ bản là thép không gỉ và thép tấm cacbon Các mối hàn này cũng đáp ứng tiêu chuẩn kiểm tra kéo và uốn, với kết quả kiểm tra va đập của mối hàn TIG cao hơn so với SMAW Đặc biệt, khả năng chống ăn mòn của mối hàn TIG vượt trội hơn so với mối hàn SMAW và thép không gỉ Nhóm nghiên cứu nhận định rằng phương pháp hàn TIG là lựa chọn triển vọng cho việc hàn hai vật liệu khác nhau, điều này có ý nghĩa quan trọng cho việc lựa chọn quy trình hàn trong các nghiên cứu tiếp theo.

2.3.3 Định hướng nghiên cứu của đề tài

Từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã phân tích, đánh giá trên, một số định hướng nghiên cứu của đề tài như sau:

Nghiên cứu và bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác nhau là cần thiết để tạo nền tảng khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn Đồng thời, việc này cũng hỗ trợ trong việc phát hiện và khắc phục các khuyết tật của mẫu hàn bằng phương pháp hàn TIG.

- Xác định đƣợc thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn phụ để hàn hai vật liệu liệu khác nhau

- Tính chọn được các thông số hàn (cường dòng điện hàn, vận tốc hàn, nhiệt độ giữa các đường hàn

Đề xuất quy trình hàn hai vật liệu khác nhau nhằm chế tạo chi tiết mẫu, bao gồm cả chi tiết mẫu có khuyết tật như thiếu thấu chân và khuyết tật nứt.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN THÉP CACBON VÀ THÉP KHÔNG GỈ

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hàn thép cacbon với thép không gỉ bằng phương pháp hàn nổ

Hình 3.1 Hàn liên kết thép cacbon - thép không gỉ bằng phương pháp hàn nổ Ưu điểm của phương 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 có thể thực hiện giữa các vật liệu khác nhau với tính chất cơ học và thành phần hóa học đa dạng, chẳng hạn như nhôm kết hợp với thép, thép cacbon với thép không gỉ, cũng như một số hợp kim đặc biệt khác.

- Chất lƣợng mối hàn tốt và năng suất cao vì thời gian hàn cực nhanh

Nhược điểm của phương pháp hàn nổ:

- Biến dạng cơ – nhiệt là rất lớn nên sau khi hàn xong phải qua công đoạn cán phẳng hoặc là phẳng

- Phương pháp này phát xạ độc hại (khói độc, tiếng ồn lớn), môi trường sản xuất không an toàn và thường được 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 phương pháp hàn ma sát

Hàn ma sát là phương pháp hàn áp lực, sử dụng nhiệt từ ma sát giữa hai chi tiết chuyển động tương đối để nung chảy mép hàn đến trạng thái dẻo Sau đó, lực ép được áp dụng để kết nối hai chi tiết, khiến kim loại mép hàn khuếch tán và tạo thành mối hàn chắc chắn Khi hai bề mặt chuyển động dưới lực ép, năng lượng cơ học chuyển hóa thành nhiệt năng Trong quá trình này, ma sát được coi là ma sát khô Một ứng dụng cụ thể của hàn ma sát là hàn thép cacbon với thép không gỉ qua phương pháp hàn ma sát ngoáy (Friction Stir Welding Process).

Khi hai bề mặt hàn tiếp xúc, dao sẽ di chuyển giữa chúng với tốc độ quay cao và lực ép mạnh từ đầu ngoáy, tạo ra nhiệt đủ để làm cho kim loại ở mép hàn trở nên dẻo Điều này cho phép đầu ngoáy cắm sâu vào chiều dày của chi tiết hàn Sau khi đầu ngoáy di chuyển hết chiều dài đường hàn, sẽ hình thành liên kết hàn giáp mối giữa thép cacbon và thép không gỉ Gờ vai trên đầu ngoáy sẽ ép vùng kim loại dẻo lại với nhau, tạo nên liên kết hàn vững chắc Nguyên lý của quá trình hàn được minh họa trong hình 3-2.

Hàn ma sát ngoáy là phương pháp hàn hiệu quả cho các tấm phẳng hoặc đường ống, nhưng yêu cầu mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày tối thiểu và bề mặt của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt trong việc kết nối thép cacbon với thép không gỉ.

- 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 có thể thực hiện giữa các vật liệu khác nhau với đặc tính cơ học và thành phần hóa học khác nhau, chẳng hạn như nhôm và thép, thép cacbon và thép không gỉ, cũng như một số hợp kim đặc biệt khác.

- Phương pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trường

- Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của người thợ Nhược điểm của phương pháp hàn ma sát ngoáy

Bề mặt mối hàn thường bị lõm so với kim loại cơ bản, với hố lõm sâu ở cuối đường hàn, do đó cần áp dụng công nghệ hàn phù hợp Kích thước và chiều dày của chi tiết hàn bị giới hạn bởi công suất hàn.

- Trong quá trình hàn chi tiết cần phải kẹp rất chặt, không hàn đƣợc liên kết hàn phức tạp

Thiết bị hàn ma sát ngoáy hiện nay còn rất hiếm ở Việt Nam, chủ yếu là những trạm hàn robot đắt tiền không phù hợp cho việc hàn ngoài công trường Do đó, quá trình hàn này chưa được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế tại Việt Nam.

Hàn ma sát quay (Inertia Friction Welding Process) là một biến thể của hàn ma sát, trong đó một chi tiết được kẹp chặt và quay với tốc độ cao, trong khi chi tiết còn lại được giữ cố định và kết nối với piston thủy lực để tạo lực ép Khi hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau với tốc độ cao và dưới áp lực lớn, bề mặt tiếp xúc giữa chúng sinh ra nhiệt đủ lớn để làm cho kim loại ở vị trí tiếp xúc chuyển sang trạng thái dẻo Quá trình này cho phép hai chi tiết được ép chặt lại, với kim loại ở hai mép hàn khuếch tán vào nhau, tạo thành mối hàn hình 2-3.

Hình 3.3 Hàn liên kết thép cacbon - thép không gỉ bằng phương pháp hàn ma sát quay Ưu điểm của phương 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 có thể thực hiện với các vật liệu khác nhau, bao gồm nhôm và thép, thép cacbon và thép không gỉ, cũng như một số hợp kim đặc biệt khác, tùy thuộc vào cơ tính và thành phần hóa học của chúng.

- Phương pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trường

- Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của người công nhân

Nhược điểm của phương 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 được thiết kế dưới dạng trạm hàn CNC không thích hợp khi hàn ngoài công trường

- Kích thước 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 phương pháp điện tiếp xúc điểm điện trở (Resistance Spot Welding Process)

Quá trình hàn điện tiếp xúc điểm điện trở được sử dụng để hàn thép cacbon với thép không gỉ, trong đó dòng điện từ nguồn hàn đi qua điện cực đến chi tiết hàn và xuyên qua bề mặt tiếp giáp giữa hai chi tiết Do điện trở tiếp xúc lớn, nhiệt độ sinh ra đủ để vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo Sau đó, lực ép giữa hai điện cực sẽ ép chặt hai tấm vật liệu, cho phép kim loại tại nơi tiếp xúc khuếch tán vào nhau, tạo thành mối hàn vững chắc.

Phương pháp hàn điện tiếp xúc điểm điện trở cho phép hàn liên kết giữa thép cacbon và thép không gỉ với nhiều ưu điểm nổi bật Nhờ vào khả năng tạo ra mối hàn chắc chắn và bền bỉ, phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình sản xuất Hơn nữa, hàn điện tiếp xúc điểm điện trở còn đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu sự biến dạng của vật liệu trong quá trình hàn.

 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

 Phương pháp này không phát xạ độc hại, không làm ô nhiễm môi trường

 Không sử dụng kim lại phụ, không yêu cầu cao về tay nghề của người thợ Nhược điểm của phương 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 thước 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 phương pháp hàn hồ quang 3.1.4.1 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn MIG

So với hàn hồ quang tay (SMAW), hàn MIG cho phép kiểm soát chế độ nhiệt hàn tốt hơn, tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều hạn chế khi so với hàn TIG Điều này dẫn đến khó khăn trong việc nghiên cứu và ứng dụng hàn thép cacbon và thép không gỉ bằng phương pháp hàn MIG Một số tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu lý thuyết về nguyên lý hàn MIG và sản phẩm hàn của thép cacbon và thép không gỉ, như được thể hiện trong hình 3-5.

Hình 3.5 Hàn liên kết thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn MIG 3.1.4.2 Hàn thép cacbon – thép không gỉ bằng phương pháp hàn TIG

Phương pháp hàn TIG, mặc dù có năng suất thấp hơn so với các phương pháp hàn hồ quang khác, nhưng lại mang lại chất lượng mối hàn rất cao Điều này được giải thích bởi khả năng điều chỉnh và kiểm soát tốt các thông số hàn, đặc biệt là cường độ dòng điện, ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nhiệt đầu vào trong quá trình hàn Ngoài ra, việc lựa chọn kim loại phụ phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo yêu cầu về cơ tính và hóa tính khi hàn hai vật liệu khác nhau Hàn TIG hiện nay là lựa chọn tối ưu trong điều kiện thiết bị và công nghệ của chúng ta Nguyên lý của phương pháp hàn TIG và sản phẩm hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ được thể hiện rõ trong hình 3-6.

Hình 3.6 Nguyên lý phương pháp hàn TIG và sản phẩm hàn thép cacbon – thép không gỉ

KHUYẾT TẬT MỐI HÀN

Trong quá trình hàn, một số khuyết tật sau thường xuất hiện trong mối hàn nhƣ sau:

Ngậm xỉ là hiện tượng khi các chất rắn không phải kim loại mối hàn bị kẹt trong kim loại mối hàn, tạo thành khuyết tật phổ biến trong quá trình hàn Xỉ hàn có thể hình thành từ thuốc bọc que hàn, thuốc hàn (flux), oxit hoặc các hỗn hợp kim loại khác, và không thoát ra khỏi bễ hàn khi kim loại đông đặc Các xỉ này có thể nằm bên trong hoặc trên bề mặt mối hàn.

Hình 1: Ngậm xỉ bên trong đường hàn a Ngậm xỉ bên trong đường hàn b Ngậm xỉ bên trên đường hàn

Hình 3.7 Mối hàn ngậm xỉ

Mối hàn có thể xuất hiện hiện tượng ngậm xỉ, tạo ra các rãnh dài được gọi là ngậm xỉ dạng đường, hoặc tập trung thành các đoạn ngắn và lỗ chứa xỉ Các lỗ và đoạn xỉ này có thể phân bố hoặc tập trung trong đường 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 thường xuất hiện ở các vị trí sau: a) Ngậm xỉ trên bề mặt b) Ngậm xỉ bên trong

Hình 3.9 Các vị trí thường xuất hiện khuyết tật ngậm xỉ

Các phương pháp hàn phổ biến hiện nay có thể dẫn đến khuyết tật ngậm xỉ nhƣ:

- Phương pháp hàn SMAW có thể gây ra khuyết tật ngậm xỉ từ thuốc bọc que hàn nóng chảy (slag), ngậm các ôxít

- Phương pháp hàn GTAW có thể gây ra các khuyết tật ngậm các oxít, lẫn Tungsten, ngậm đồng và ngậm các kim loại khác

- Phương 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

- Phương 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 tượng khi kim loại mối hàn không liên kết chặt chẽ với kim loại cơ bản hoặc giữa các lớp kim loại mối hàn, tạo ra một loại khuyết tật nghiêm trọng trong liên kết hàn Khuyết tật này không chỉ gây ra các vấn đề như rỗ khí và ngậm xỉ mà còn là nguyên nhân chính dẫn đến vết nứt, làm giảm độ bền của mối hàn trong quá trình làm việc Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1, các khuyết tật thiếu ngấu được phân chia thành hai dạng chính: đầu mối hàn và giữa mối hàn.

Chân mối hàn Điểm cuối mối hàn

Khuyết tật thiếu ngấu cạnh là hiện tượng kim loại mối hàn không liên kết với cạnh mép vát của kim loại cơ bản Khuyết tật này có thể được phát hiện qua các biện pháp cảm quan, và trên phim X quang, nó xuất hiện dưới dạng vùng màu đen liên tục hoặc đứt đoạn ở hai bên mép vát mối hàn Kỹ thuật siêu âm màu cho thấy khuyết tật nằm bên cạnh mép vát, với một mặt là đường thẳng đều và mặt bên có biên dạng không đều.

Hình 3.11 Khuyết tật thiếu ngấu cạnh [18]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nguyên nhân Cách khắc phục

Nhiệt độ vào (heat input) thấp Tăng chiều dài hồ quang, tăng cường độ dòng điện hàn và giảm tốc độ hàn

Kim loại chảy tràn lên trước vũng hàn có thể được cải thiện bằng cách thay đổi góc độ điện cực và vị trí hàn, đồng thời tăng tốc độ hàn Để khắc phục tình trạng vật hàn bị bẩn, cần nâng cao công tác chuẩn bị vật hàn Ngoài ra, điều chỉnh cuộn cảm quá cao trong dạng chuyển dịch khi hàn MIG/MAG cũng giúp giảm cảm kháng, ngay cả khi sự bắn tóe tăng lên.

Khuyết tật thiếu ngấu giữa các lớp trong mối hàn nhiều lớp xảy ra khi kim loại mối hàn ở lớp trước không liên kết với lớp sau, dẫn đến chiều cao rãnh thiếu ngấu quá lớn Hiện tượng này dễ gây bẫy xỉ trong rãnh, tạo ra khuyết tật ngậm xỉ và không thấu Khuyết tật này có thể được phát hiện dễ dàng bằng đầu dò siêu âm sóng thẳng, với đặc điểm sóng tương tự như khuyết tật thiếu ngấu cạnh có đường biên dạng thẳng.

Hình 3.12 Khuyết tật thiếu ngấu giữa các lớp [18]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nguyên nhân Cách khắc phục

Cường độ dòng điện hồ quang thấp Tăng cường độ dòng điện hàn

Tốc độ hàn quá nhanh Giảm tốc độ hàn

Vị trí đường hàn bị lệch và thiếu ngấu chân là những vấn đề phổ biến trong quá trình hàn Thiếu ngấu chân xảy ra khi kim loại mối hàn ở lớp chân không liên kết với cạnh mép vát của chi tiết, để lại vết đen thẳng trên phim chụp X quang Khuyết tật này có thể xuất hiện ở một hoặc hai bên cạnh mối hàn và dễ dàng được phát hiện bằng phương pháp siêu âm với đầu dò góc, cho tín hiệu sóng tương tự như nứt chân mối hàn.

Hình 3.13: Khuyết tật thiếu ngấu chân [18]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nguyên nhân Cách khắc phục

Nhiệt độ đầu vào thấp Tăng cường độ dòng điện và điện áp hàn, giảm tốc độ hàn Điện cực quá lớn Lựa chọn điện cực hàn chính xác

Hàn sai thao tác, khe hở và mặt phẳng đáy quá lớn, góc độ điện cực sai… Bồi dƣỡng đội ngũ thợ hàn

Chi tiết bị lệch Đảm bảo chi tiết đƣợc chuẩn bị chính xác trước khi hàn

3.2.3 Không thấu (Lack of penetration)

Không thấu là hiện tượng kim loại mối hàn không thấm sâu vào kim loại cơ bản hoặc kim loại mối hàn, dẫn đến sự thay đổi tiết diện của chi tiết hàn và dễ gây ứng suất trong quá trình làm việc Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1, các khuyết tật không thấu được phân chia thành nhiều dạng khác nhau.

Khuyết tật không thấu được phân loại thành hai loại chính: không thấu hoàn toàn, xảy ra khi kim loại mối hàn ở hai lớp không liên kết với nhau, thường gặp trong các liên kết hàn như liên kết vát mép chữ X, chữ U hoặc giáp mối không vát mép Hình 3.16 minh họa khuyết tật này Trong một số trường hợp, nếu mối ghép hàn không chịu lực lớn, việc hàn chỉ thực hiện ngấu một phần có thể được chấp nhận như một đặc điểm kỹ thuật thay vì coi là lỗi khuyết tật Để phát hiện khuyết tật, phương pháp X quang thường được sử dụng.

Hình 3.15 Khuyết tật không thấu [21]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nguyên nhân Cách khắc phục

Mặt phẳng đáy quá dày, khe hở đáy hẹp Giảm mặt phẳng đáy, tăng khe hở đáy

Nhiệt độ đầu vào thấp Tăng cường độ dòng điện và điện áp hàn, giảm tốc độ hàn

Hàn sai thao tác, sử dụng điện cực quá lớn và góc độ điện cực không chính xác có thể dẫn đến hiện tượng thiếu thấu chân, nơi kim loại mối hàn không xuyên hoàn toàn qua mặt sau của kim loại cơ bản Khuyết tật này chỉ xuất hiện trong các mối hàn yêu cầu độ ngấu hoàn toàn và được nhận diện trên phim X-quang với một vệt đen tối thẳng đều Khi kiểm tra bằng siêu khuyết tật, hiện tượng này tương tự như dạng nứt nhưng có cột sóng cao và đều hơn, cho thấy vị trí xuất hiện khuyết tật rõ ràng.

Hình 3.16 Khuyết tật thiếu thấu chân [21]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nguyên nhân Cách khắc phục

Nhiệt độ đầu vào thấp Tăng cường độ dòng điện và điện áp hàn, giảm tốc độ hàn Điện cực quá lớn Lựa chọn điện cực hàn chính xác

Hàn sai thao tác, khe hở và mặt phẳng đáy quá lớn, góc độ điện cực sai… Bồi dƣỡng đội ngũ thợ hàn

Chi tiết bị lệch Đảm bảo chi tiết đƣợc chuẩn bị chính xác trước khi hàn

3.2.4 Khuyết tật rỗ khí/hốc khí (Cavities)

Rỗ khí là hiện tượng khí sinh ra trong quá trình hàn, khi kim loại mối hàn đông đặc bị lẫn khí Hiện tượng này có thể xảy ra ở bên trong hoặc trên bề mặt mối hàn, và thường nằm ở ranh giới giữa kim loại cơ bản và kim loại đắp.

Rỗ khí có thể phân phối tập trung hoặc nằm rời rạc trong mối hàn, và sự hiện diện của chúng làm giảm tiết diện làm việc, cường độ chịu lực và độ kín của liên kết Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1, các khuyết tật rỗ khí được phân chia thành nhiều dạng khác nhau.

Hình 3.17 Phân loại khuyết tật rỗ khí theo BS EN [21] a) Rỗ khí phân bố đều b) Tập trung thành chùm c) Thành đường

Hình 3.18 Các dạng khuyết tật rỗ khí

Từ các hốc bẫy khí (gas cavity)

Do co ngót (shrinkage cavity)

Rỗ khí bị cô lập (isolated)

Rố khí phân bố đều (uniformly distributed porosity)

Rỗ khí tập trung thành chùm clustered (localised) porosity

Rỗ khí tập trung thành đường

Rỗ khí dạng lỗ sâu (worm-hole)

Rỗ khí trên mặt (surface pore)

Rỗ khí phân nhánh (interdendritic shrinkage)

Rỗ khí rãnh hồ quang (crater pipe)

Rỗ khí vi mô (microshrinkage)

Nhánh vi mô (transgranular microshrinkage)

Rỗ khí có thể nằm trong các dạng sau:

- Bị phân bố cô lập rời rạc (isolated)

- Nhiều lỗ tập trung thành dạng đường

- Thành các lỗ nổi trên bề mặt mối hàn

Rỗ khí có khả năng phản xạ sóng siêu âm kém, dẫn đến việc kích thước khuyết tật không thay đổi khi di chuyển đầu dò Nếu xung báo là một nhóm xung nhỏ và có nhiều xung, khả năng cao đó là khuyết tật rỗ khí chùm.

Hình 3.19 Rỗ khí bên trong mối hàn [21]

Nguyên nhân và cách khắc phục:

Nứt là một khuyết tật nghiêm trọng do vết vỡ gây ra sự bất liên tục tại mối hàn hoặc vùng kim loại lân cận khi mối hàn đông đặc Nó có thể xuất hiện trên bề mặt mối hàn, trong mối hàn, và ở vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nguyên nhân Cách khắc phục Điện cực ẩm ƣớt, gỉ, bị ăn mòn Chọn điện cực trong tình trạng tốt

Bề mặt vật hàn bị bẩn Làm sạch vật hàn

Không khí lẫn trong khí bảo vệ

Kiểm tra lại khí bảo vệ và điều chỉnh lại lưu lƣợng khí bảo vệ phù hợp

Chiều dài hồ quang quá cao có thể gây ra hiện tượng nứt trong mối hàn, làm cho kết cấu bị hỏng Để giảm thiểu rủi ro này, cần điều chỉnh chiều dài hồ quang phù hợp Vết nứt có thể xuất hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau, ảnh hưởng đến độ bền của cấu kiện hàn.

CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHUYẾT TẬT MỐI HÀN

Trong quá trình sản xuất kết cấu hàn, việc kiểm tra chất lượng mối hàn có thể thực hiện ở ba giai đoạn: trước, trong và sau khi hàn Điều này cho phép kiểm tra được tiến hành linh hoạt, xen kẽ giữa các nguyên công, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Có hai phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn, bao gồm kiểm tra phá hủy và kiểm tra không phá hủy, tùy thuộc vào cách tác động vào vật kiểm tra.

Kiểm tra phá hủy (DT-Destructive Testing) là phương pháp kiểm tra nhằm phát hiện khuyết tật mối hàn bằng cách gây hư hỏng cho mối hàn, do đó, sau khi kiểm tra, mối hàn không thể sử dụng được Phương pháp này thường được áp dụng trên phôi mẫu hoặc phôi tương đương trong quá trình sản xuất.

- Kiểm tra độ dai va đập

- Kiểm tra COD (Crack Opening Displacement)

- Kiếm tra uốn tự do

Kiểm tra không phá hủy (NDT - Nondestructive Testing) là phương pháp sử dụng hiện tượng vật lý để phát hiện khuyết tật mối hàn mà không làm hỏng khả năng làm việc của nó Phương pháp này có thể được thực hiện trực tiếp trên các chi tiết trong quá trình sản xuất Hiện nay, có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy phổ biến.

- Kiểm tra bằng chất lỏng thẩm thấu

Do thời gian hạn chế, nghiên cứu này chỉ tập trung vào việc sản xuất một số mẫu chi tiết có khuyết tật hàn, nhằm phục vụ cho hai phương pháp kiểm tra là siêu âm và chụp X-quang.

3.3.1 Kiểm tra mối hàn bằng phương pháp siêu âm (UT-Ultrasonic Test)

Phương pháp kiểm tra siêu âm sử dụng dao động đàn hồi với tần số cao để phát hiện và phân tích các khuyết tật trong vật thể Chùm sóng âm phản xạ được ghi nhận nhằm xác định sự hiện diện và vị trí của khuyết tật Mức độ phản xạ phụ thuộc vào trạng thái vật lý của vật liệu đối diện bề mặt phân cách và các tính chất vật lý đặc trưng của vật liệu đó Hình 3-28 minh họa nguyên lý phát hiện khuyết tật trong mối hàn bằng phương pháp siêu âm.

Hình 3.28 Nguyên lý phát hiện khuyết tật bằng phương pháp siêu âm

Dưới đây trình bày các bước cần thiết để phát hiện khuyết tật mối hàn bằng phương pháp siêu âm:

Nghiên cứu thông tin sản phẩm:

Trước khi kiểm tra ta cần tìm hiểu rõ [12]:

- Loại vật liệu hàn (basic metal)

- Cách chuẩn bị mối ghép

- Các lưu ý đặc biệt từ người thợ sản xuất nếu có

Xác định kích thước mẫu thử:

Cần xác định rõ các kích thước sau [6]:

- Kích thước hình học kim loại cơ bản và mối hàn

- Chiều cao gia cường (cap)

- Nếu chiều cao gia cường bị mài đi thì có thể tính toán được khi biết góc vát, khe hở đáy và chiều cao mặt đáy

Kiểm tra sơ bộ bằng mắt

Các khuyết tật như bắn tóe, chảy tràn và các vết lõm có thể được đánh dấu lại để không ảnh hưởng đến thuật toán khi đọc kết quả siêu âm Trong một số trường hợp, những khuyết tật này cần được loại bỏ hoặc sửa chữa trước khi tiến hành siêu âm.

Các khuyết tật như lệch cạnh, lệch góc và không đồng phẳng có thể không ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của mối hàn, nhưng chúng có thể cản trở quá trình kiểm tra siêu âm, vì vậy cần phải được loại bỏ.

Kiểm tra kim loại cơ bản

Trước khi tiến hành kiểm tra mối hàn, cần kiểm tra kim loại cơ bản để phát hiện các khuyết tật như nứt và tách lớp, vì chúng có thể ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra siêu âm Đầu dò thẳng với đầu đơn hoặc đầu kép có thể được sử dụng để quét vùng rộng hơn so với vùng dự kiến khi kiểm tra mối hàn bằng đầu dò góc Thông thường, đầu dò có tần số từ 2MHz đến 6MHz được sử dụng để kiểm tra kim loại cơ bản.

3.3.1.2 Kiểm tra mối hàn giáp mối a Nguyên tắc

Vùng đáy mối hàn cần được kiểm tra cẩn thận vì đây là nơi thường xuất hiện các khuyết tật nguy hiểm Tín hiệu phản hồi về mối hàn ở khu vực này thường mạnh và các khuyết tật thường nằm gần nhau, dễ gây nhầm lẫn cho kỹ thuật viên.

Tiết diện mối hàn được kiểm tra bằng đầu dò góc phù hợp, và việc lựa chọn đầu dò đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện khuyết tật Khi thực hiện kiểm tra bằng tay, cần chú ý đến các điều kiện nhất định để đảm bảo độ chính xác.

Để đảm bảo độ nhám bề mặt đạt tiêu chuẩn Rz ≤ 40μm hoặc 4, nếu bề mặt thô và vật liệu có cấu trúc hạt thô, nên chọn đầu dò có tần số thấp Điều này giúp tránh tình trạng suy giảm sóng, vì sóng tần số thấp có khả năng xuyên thấu mạnh và truyền xa hơn.

- Đầu dò tần số cao cho khả năng phân giải tốt nên có thể phát hiện các khuyết tật nhỏ và độ chính xác cao hơn

Dải quét (vùng dịch chuyển đầu dò) không nên quá dài do suy giảm Nếu cần thiết, hãy sử dụng đầu dò tần số nhỏ để đảm bảo hiệu quả.

Để duy trì tuổi thọ của đầu dò, đặc biệt là đầu dò nhỏ, cần hạn chế việc duy trì đầu dò trong quá trình kiểm tra Mối hàn giáp mối thường được kiểm tra bằng phương pháp xung phản hồi theo sơ đồ phối hợp Đầu dò 50° được sử dụng để phát hiện các khuyết tật mà đầu dò nhỏ 35° không thể nhận diện Đối với các mối hàn có chiều dày ≤ 100mm, có thể thực hiện việc dò trên một phía kim loại cơ bản một lần bằng tia phản xạ trực tiếp Trong trường hợp này, góc vào β thường được chọn sao cho trục chùm tia cắt trục đối xứng của tiết diện mối hàn tại độ sâu 0.5δ.

Hình 3.29 Sơ đồ dò liên kết giáp hàn mối b Lựa chọn góc phát đầu dò

Góc đầu dò cần được điều chỉnh sao cho chùm sóng vuông góc với góc vát của mối ghép hàn, nhằm đạt được phản hồi tối đa Góc này được xác định theo công thức [6].

Trong đó θ góc vát mép chi tiết hàn

Thông thường để thu được xung phản hồi nhiều nhất, các góc phát đầu dò đƣợc chọn theo chiều dày vật liệu bằng thép theo bảng sau [6]:

Bảng 3.1: Chọn góc đầu dò theo chiều dày vật hàn β 0 80 70 60 45 35 δ (mm) 5-15 15-35 35-100 50-200 100-200

QUY TRÌNH HÀN HAI VẬT LIỆU KHÁC NHAU

THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ