Bài giảng Chương 8 – luyện kim hàn

m đi. Biến dạng này có xu hướng trải dài trên bề mặt mối hàn là cho nó dài và rộng ra. Vì kim loại trải dài ra ở nột mức nhỏ, nên ứng suất dư được giảm. Hình VIII.17 Khi dùng đầm nặng để khử ứng suất, cần thận trọng để tránh nứt mối hàn do tác động cơ học mạnh mẽ. Người ta thường khuyên không nên đầm lớp lót đáy, vì búa có thể đập vỡ lớp này. Thông thường, cũng không đầm lớp cuối cùng, nhưng đó là nguyên nhân khác, vì bề mặt được đầm mạnh có thể tạo thành bất liên tục làm khó cho thanh tra. Nếu được thực hiện đúng, đầm là phương pháp giảm ứng suất dư hiệu quả cao khi mối hàn có tiết diện lớn hoặc bị cản trở mạnh. Có hai khía cạnh khác của luyện kim hàn cần quan tâm, vì nó làm cho người Thanh tra Hàn hiểu được bản chất vật lí liên quan đến sự thay đổi luyện kim khác nhau đã đề cập ở trên. Đó là sự khuếch tán và hòa tan ở trạng thái rắn. VIII.3.4. Khuếch tán Ở phần trên đã thấy rằng nguyên tử trong trạng thái lỏng có thể dễ dàng chuyển động tương đối với nhau; song, dưới điều kiện nhất định, thậm chí trong trạng thái rắn, các nguyên tử cũng có thể thay đổi vị trí. Trong thực tế, bất kì nguyên tử nào cũng có thể “lang thang” rời khỏi vị trí của mình, theo từng bước, từ vị trí ban đầu của chúng. Những thay đổi của vị trí nguyên tử trong trạng thái rắn (đặc) được gọi là khuếch tán. Ví dụ về khuếch tán được chỉ ra nếu hai tấm chì, vàng nhẵn và phẳng được kẹp chặt lại với nhau (h.VIII.18). Nếu dùng lực để kẹp chúng với nhau ở nhiệt độ bình thường trong vài ngày, khi bỏ kẹp ra hai tấm kim loại dính vào nhau. Hiện tượng này được tạo ra vì các nguyên tử đồng và chì di chuyển từ tấm này sang tấm kia, hoặc được gọi là khuếch tán, tạo nên liên kết luyện kim yếu. Lực liên kết này khá yếu và dễ bị tách ra khi có tác động vào mặt liên kết. Nếu nhiệt độ tăng lên, lượng khuếch tán càng nhiều và nếu trên nhiệt độ nóng chảy của cả hai, thì sẽ xảy ra hòa trộn hoàn toàn với nhau. Hình VIII.18 Ví dụ khác về khuếch tán khi hydro và gas ở gần nhau trong kim loại nóng chảy như mối hàn. Nguồn sinh ra hydro phổ biến nhất là hơi nước hoặc các chất hữu cơ nhiễm bẩn trên bề mặt vật hàn. Nhiều chất bản được tìm thấy trong thành phần kim loại là các chất hữu cơ như dầu, mỡ… và chúng có chứa hydro trong thành phần hóa học. Nhiệt hàn sẽ phân hủy nước và các chất hữu cơ khác thành các nguyên tử riêng biệt, trong đó có nguyên tử hydro (H+). Nguyên tử hydro khá nhỏ, chúng có thể dễ dàng khuếch tán vào cấu trúc kim loại cơ bản. Khi vào kim loại cơ bản, các nguyên tử hydro lại tái kết hợp với nhau tạo thành phân tử hydro (H2), và kích thước phân tử hydro lớn hơn nguyên tử của nó nhiều. Phân tử hydro lớn thường dễ bị mắc kẹt trong kim loại tại các cùng bất liên tục như biên giới hạt, chỗ lẫn tạp chất. Do kích thước lớn, những phân tử hydro này gây nên ứng suất cao trong cấu trúc bên trong của kim loại, làm kim loại có độ dẻo thấp dễ bị nứt. Nứt do hydro thường được gọi là nứt dưới đường hàn hoặc nứt chậm/ nguội. Biện pháp khắc phục chủ yếu đối với nứt hydro là loại trừ nguồn hydro; đầu tiên cần làm sạch hoàn toàn bề mặt cần được hàn. Biện pháp khác là sử dụng các loại điện cực có “hydro thấp” để hàn thép carbon và hợp kim thấp. Những điện cực hydro thấp dược chế tạo theo công thức riêng để giữ cho hàm lượng hydro thấp nhưng không đòi hỏi phải xử lí đặc biệt để tránh ẩm tình cờ thâm nhập sau khi mở container tàu biển kẹp chì. Gia nhiệt kim loại cơ bản cũng là biện pháp hiệu quả để loại trừ hydro ngẫu nhiên thâm nhập, vì hydro sẽ khuếch tán khỏi phần lớn các kim loại ở nhiệt độ 200 oF đến 450 oF (100 oC – 235 oC). Việc thực hiện các phương pháp này có thể giúp làm giảm nứt hydro trong các kim loại nhạy cảm với nứt. VIII.3.5. Dung dịch đặc Phần lớn mọi người đều hiểu dung dịch thông thường là chất lỏng hòa tan chất rắn. Ví dụ như cho thìa đường vào cốc và khuấy lên thì đường sẽ hòa tan trong nước. Tuy nhiên, nhiều người chưa biết là chất rắn này hòa tan được vào chất rắn khác. Trong ví dụ đã nói ở trên là chì và vàng, hai kim loại khuếch tán qua lại tạo thành dung dịch đặc lẫn nhau. Quay lại ví dụ trên, nếu cho thêm đường vào cốc thì có một số hạt không tan trừ khi khuấy mạnh. Điều gì sẽ xảy ra nếu với một thể tích chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định, đã đạt được giới hạn bão hòa. Khi lượng đường cho vào cốc nhiều quá thì dù có quấy thật mạnh cũng không thể tan thêm một hạt đường nào nữa. Muốn đường tan nhiều hơn thì chỉ có cách tăng thể tích nước hoặt tăng nhiệt độ. Cho nên dễ thấy rằng có một giới hạn bão hòa khi chất rắn hòa tan trong chất lỏng phụ thuộc vào thể tích và nhiệt độ. Ngoài khuếch tán, các kim loại cũng thể hiện phản ứng tương tự, chúng “hòa tan” lẫn nhau dù cả hai đều ở thể đặc (rắn). Cũng như đường tan trong nước, có một giới hạn bão hòa khi một kim loại đặc này hòa tan vào kim loại đặc khác và giới hạn bão hòa đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, hòa tan của kim loại này vào kim loại kia càng nhiều. Do đó người ta có thể nhận được hỗn hợp mà cả hai đều ở trạng thái đặc. Tất nhiên khi nhiệt độ kim loại tăng, lượng khuếch tán và hòa tan cũng tăng. Một ví dụ về chất rắn này hòa tan vào chất rắn khác là phương pháp được sử dụng để tăng độ cứng bề mặt của thép. Nếu phôi thép carbon thấp được đặt trong một hòm kín chứa đầy các phần tử carbon. Sau đó người ta nung nóng đến nhiệt độ 850 oC đến 900oC, tức là dưới nhiệt độ nóng chảy của cả thép và carbon, các nguyên tử carbon sẽ khuếch tán (hòa tan) vào bề mặt thép. Bề mặt thép được bổ sung carbon (sau khi được tôi) sẽ cứng hơn nhiều và được sử dụng để tạo ra bề mặt chống mài mòn và cào xước. Kĩ thuật này được gọi với tên quen thuộc là thấm carbon. Bề mặt thép cũng được làm cứng bằng cách đưa nó vào môi trường ammonia với nhiệt độ tương tự như thấm carbon. Chất ammonia (NH3) sẽ bị tách thành hai thành phần riêng biệt là nitrogen và hydrogen và các nguyên tử nitrogen thâm nhập vào bề mặt. Kĩ thuật này được gọi là thấm nitơ. Cả hai kĩ thuật biến cứng bề mặt này thể hiện tính chất khuếch tán và hòa tan ở trạng thái đặc của kim loại. Có kiến thức về khuếch tán và hòa tan ở trạng thái đặc sẽ giúp người Thanh tra Hàn hiểu được tầm quan trọng của việc làm sạch khi hàn và cần bảo vệ đúng trong tất cả các nguyên công hàn. VIII.4. Luyện kim Hàn đối với các Vật liệu được Sử dụng phổ biến khác Ngoài hợp kim chủ yếu được sử dụng trong hàn, phần này sẽ tìm hiểu về luyện kim hàn đối với ba nhóm vật liệu cơ bản khác. VIII.4.1. Thép không gỉ Từ “thép không gỉ” là tên gọi không được chính xác khi áp dụng cho các loại vật liệu được xem như là thép không gỉ, vì nghĩa phổ biến là chống ăn mòn. Song, trong môi trường ăn mòn khốc liệt, nhiều loại thép không gỉ bị ăn mòn với tốc độ khá nhanh. Thép không gỉ được định nghĩa có tối thiểu 12% chromium. Có nhiều nhóm thép không gỉ và người Thanh tra Hàn cần phải nhận biết điều này khi thảo luận về chúng và phải biết chọn đúng từng nhóm. Có năm nhóm thép không gỉ chính là ferrtic, martensitic, austenitic, biến cứng lắng và duplex. Ba nhóm đầu là các phase ổn định ở nhiệt độ thông thường. Nhóm thứ tư thường được gọi là thép không gỉ PH, mà chúng được biến cứng bằng “hóa già”, cơ chế biến cứng lắng ngược lại cơ chế tôi và ram được biết đến khi chuyển biến độ cứng. Cuối cùng, nhóm duplex là nửa ferrite và austenite ở nhiệt độ môi trường với khả năng chống nứt do mòn dưới ứng suất chloride được cải thiện. Phase ổn định ở nhiệt độ thông thường được tìm thấy trong thép không gỉ phụ thuộc vào tính chất hóa học của thép và một số thép không gỉ có thể chứa tổ hợp các phase khác nhau. Thép không gỉ phổ biến hơn cả là nhóm austenite được kí hiệu theo loạt 2XX và 3XX; 304 và 316 là thép không gỉ nhóm austenite. Thép 416 là nhóm martensite và 430 là nhóm ferrite. Thuộc về nhóm thép PH là loại phổ biến 17-4PH. Còn 2205 là thép phổ biến thuộc nhóm duplex. Do thành phần và thuộc tính khác nhau, tính hàn của những nhóm này khác nhau nhiều. Nhóm austenite có tính hàn tốt với thành phần kim loại bổ sung được sử dụng hiện nay. Nhóm này có thể có vấn đề về nứt nóng ngắn xảy ra khi kim loại còn rất nóng. Vấn đề này có thể giải quyết được bằng cách kiểm soát thành phần của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung để tạo điều kiện tốt cho việc hình thành phase “delta ferrite”, mà phase này giúp loại trừ nứt nóng ngắn. Điển hình, khi hàn thép không gỉ austenite sẽ tránh được nứt bằng cách chọn kim loại bổ sung có hàm lượng delta ferrite 4% – 10%. Hàm lượng này thường được gọi là số ferrite và có thể đo được bằng bộ đo từ tính. Delta ferrite được đo bằng bộ đo từ tính vì nó có mạng tinh thể BCC và có từ tính, trong khi phase cơ bản austenite là FCC không từ tính. Nhóm thép không gỉ ferrite cũng được xem như có tính hàn tốt với kim loại bổ sung được chọn đúng. Nhóm martensite là khó hàn nhất và thường yêu cầu chế độ riêng để gia nhiệt và xử lí nhiệt sau khi hàn. Các quy trình được triển khai để hàn các loại vật liệu này phải được tuân thủ chặt chẽ để tránh nứt và duy trì cơ tính của kim loại cơ bản. Nhóm thép không gỉ PH và duplex cũng có tính hàn thỏa mãn, nhưng phải chú ý đến sự thay đổi cơ tính khi hàn. Một trong những vấn đề phổ biến nhất khi hàn thép không gỉ nhóm austenite là lắng carbide hoặc nhạy cảm. Khi nung nóng đến nhiệt độ hàn, một phần kim loại cơ bản đạt đến dải nhiệt độ 430 oC – 800oC, và trong phạm vi dải nhiệt độ này, chromium và carbon có trong kim loại sẽ kết hợp với nhau tạo ra chromium carbide Cr23C6. Nhiệt độ khắc nghiệt nhất để tạo thành Cr23C6 là khoảng 625 oC, mỗi chu kì hàn phải qua khoảng nhiệt độ này hai lần, một lần nung nóng tăng nhiệt độ và một lần làm nguội. Chromium carbide hay nằm dọc theo biên giới hạt của cấu trúc. Hậu quả của việc tạo thành chromium carbide là làm giảm hàm lượng chromium trong các hạt nằm gần biên giới, được gọi là sự thoát chromium, lúc đó hàm lượng chromium thấp hơn ngưỡng chống ăn mòn (12% Cr). Kết quả cuối cùng của thoát chromium trong hạt là khả năng chống ăn mòn bị giảm. Trong môi trường ăn mòn nhất định, phần ngoài rìa của hạt bị ăn mòn với tốc độ nhanh và được gọi là ăn mòn tinh giới hạt IGA (h.VIII.19). Hình VIII.19 Có thể ngăn ngừa độ nhạy cảm của thép không gỉ austenite khi hàn bằng một số phương pháp. Phương pháp đầu liên quan đến xử lí nung nóng lại toàn bộ cấu trúc bằng cách đưa nhiệt lên đến 1100oC – 1150oC. Trạng thái ủ này phá vỡ chromium carbide cho phép carbon tái hòa tan vào cấu trúc mạng tinh thể. Tuy nhiên, xử lí nhiệt này có thể gây ra biến dạng nghiêm trọng kết cấu hàn. Tiếp theo cấu trúc phải được tôi nhanh trong nước để tránh tái tạo chromium carbide (h.VIII.20). Hình VIII.20 Phương pháp thứ hai là thêm chất ổn định vào kim loại cơ bản và kim loại bổ sung. Hai ví dụ quen thuộc để ổn định là thêm titanium hoặc niobium (columbium) vào loạt thép 3XX một lượng bằng khoảng 8 – 10 lần hàm lượng carbon. Những chất bình ổn (ổn định) hợp kim này kết hợp rất tốt với carbon và giảm lượng carbon có thể được dùng để tạo nên chromium carbide, duy trì hàm lượng chromium trong các hạt và chống ăn mòn. Khi thêm vào titanium sẽ có thép không gỉ austenite 321; khi thêm niobium sẽ có thép không gỉ 347 (h.VIII.21). Hình VIII.21 Phương pháp thứ ba là giảm hàm lượng carbon trong kim loại cơ bản và kim loại bổ sung. Ban đầu các thép không gỉ austenite được gọi là thép carbon rất thấp ELC. Ngày nay, người ta kí hiệu bằng chữ “L” nghĩa là hàm lượng carbon thấp dưới 0,03% (các nhóm tiêu chuẩn chứa đến 0,08% C). Bằng cách giảm hàm lượng carbon trong thép, carbon ít có khả năng kết hợp với chromium và độ nhạy cảm giảm xuống khi hàn (h.VIII.20). Những thép carbon thấp này có cơ tính giảm đi một ít vì hàm lượng carbon thấp quá, điều này phải được cân nhắc khi chọn hợp kim nhóm này, đặc biệt khi sử dụng nhiệt độ cao. VIII.4.2. Nhôm và Hợp kim Nhôm Hợp kim nhôm có lớp màng oxide bám rất chắc trên bề mặt của chúng. Lớp màng này được tạo thành rất nhanh khi tiếp xúc với không khí và chúng có khả năng chống lại môi trường ăn mòn. Những lớp oxide thế này gây cản trở cho quá trình hàn ghép nối. Trong hàn vảy người ta dùng thuốc trợ dung để phá vỡ lớp màng này để cho các phần tử có thể được ghép nối với nhau. Khi hàn, dòng điện xoay chiều được sử dụng để phá vỡ lớp màng oxide này bằng cách đảo chiều dòng điện AC hàn, để tránh việc tái tạo lớp màng oxide người ta dùng khí helium và argon để bảo vệ. Phương pháp hàn AC đôi khi còn được gọi là kĩ thuật làm sạch bề mặt. Luyện kim nhôm và hợp kim của nó rất phức tạp, đặc biệt đánh giá rất nhiều loại hợp kim và phương pháp xử lí nhiệt khác nhau. Việc chọn kim loại bổ sung đúng đối với nhóm hàn tốt và môi trường xử lí nhiệt có thể được tìm thấy trong AWS A5.10, Specification for Bare Aluminum and Aluminum Alloy Welding Electrodes and Rods. VIII.4.3. Đồng và Hợp kim Đồng Đồng nguyên chất và nhiều hợp kim của nó không thể biến cứng được bằng nhiệt luyện tôi và ram như thép. Những hợp kim này thường được biến cứng và tăng bền bằng “gia công nguội” được đưa vào khi tạo hình chúng thành các hình dạng khác nhau. Tác động khi hàn làm mềm vật liệu đã được biến cứng nguội, vấn đề này cần được cân nhắc trước khi hàn hợp kim đồng đã qua gia công biến cứng nguội. Có nhiều hợp kim đồng được làm tăng độ bền bằng “hóa già”, quá trình này tương tự biến cứng lắng được sử dụng trong thép không gỉ PH. Khi hàn những hợp kim này, thường chỉ rõ xử lí nhiệt sau khi hàn để phục hồi cơ tính ban đầu. Một trong những vấn đề chính khi hàn đồng và hợp kim đồng là do nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp và độ dẫn nhiệt cao. Nhiệt đưa vào vùng hàn phải được tính toán để vượt quá lượng nhiệt thoát đi do độ dẫn nhiệt cao. Nhiệt độ nóng chảy của đồng và hợp kim khá thấp làm cho kim loại nóng chảy sớm hơn mong đợi và bị chảy tràn ra khắp liên kết hàn. Phần lớn hợp kim đồng có tính hàn thỏa mãn khi sử dụng kĩ thuật và kinh nghiệm đúng. VIII.5. Tóm tắt Luyện kim hàn là mối quan tâm quan trọng đối với bất cứ phần tử hàn nào vì sự thay đổi luyện kim xảy ra có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của kim loại mối hàn và kim loại cơ bản. Các quy trình đều yêu cầu về luyện kim hàn vì các nhà luyện kim hoặc kĩ sư hàn mong muốn kiểm tra cơ tính của vật hàn. Do đó, người Thanh tra Hàn có thể hướng dẫn thực hiện một số yêu cầu để khẳng định kết quả chế tạo đã thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật. Sự thay đổi thuộc tính kim loại sẽ xảy ra trên cơ sở lượng nhiệt đưa vào cũng như tốc độ nhiệt truyền khỏi kim loại. Có thể thấy những yếu tố này gây ra thay đổi các thuộc tính của kim loại như thế nào. Cuối cùng, dễ dàng hiểu hơn những biến số hàn nào là quan trọng và tại sao chúng cần được kiểm soát trong nguyên công hàn.