Đề cương bài giảng công nghệ hàn 2003

ấp dưới dạng ủ hoặc thường hoá và ram, có độ bền (600 ¸ 900)MPa. Loại thép này được sử dụng trong nhà máy nhiệt điện, hoá chất,…, khi hàn ngoài việc chọn đúng thành phần vật liệu hàn cần phải nung nóng sơ bộ và kiểm soát nhiệt chặt chẽ để tránh nứt ở kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Vật liệu hàn phải chọn có thành phần cacbon tối đa 0,15% và thành phần các nguyên tố hợp kim giống với kim loại cơ bản. Sau khi hàn phải tiến hành nhiệt luyện (ủ hoặc ram khử ứng suất dư) để khôi phục tính chất kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt. 3, Thép độ bền cực cao có hàm lượng cacbon trung bình Đây là loại thép có chứa 0,25 - 0,50%C và 3 – 4% các nguyên tố hợp kim. Tính thấm tôi của thép loại này khi hàn có thể đánh giá qua quá trình phân huỷ của austenit khi nguội thông qua giản đồ chữ C. Trên giản đồ chữ C, các đường (1), (2) và (3) thể hiện tốc độ nguội. - Làm nguội theo đường (1), austenit bắt đầu phân hủy ở a1 và kết thúc ở b1 tạo thành tổ chức peclít (P) Hình 5-2. Đồ thị thể hiện tốc độ nguội của thép. - Làm nguội theo đường (2), austenit bắt đầu phân hủy ở a2 và kết thúc ở b2, sản phẩm tạo thành là trustit (T); xoócbit (X) hoặc bainit (B), tuỳ theo nhiệt độ chuyển biến. Tốc độ nguội (2) gọi là tốc độ nguội tới hạn thứ nhất (bắt đầu xuất hiện tổ chức tôi). - Làm nguội theo đường (3) xảy ra sự tôi hoàn toàn, austenit chuyển biến hoàn toàn thành máctenxit (M) và đường (3) gọi là tốc độ nguội tới hạn thứ hai. Thực nghiệm cho thấy : T’m = Tm - 550. Tm  : nhiệt độ kém ổn định nhất của ôstenit khi chuyển biến đẳng nhiệt. T’m : nhiệt độ kém ổn định của austenit khi làm nguội liên tục (khi hàn) Thời gian chuyển biến nhỏ nhất của austenit khi hàn là t’min lớn hơn 1,5 lần trường hợp chuyển biến đẳng nhiệt t’min = 1,5.tmin Nếu hạt austenit càng cứng (thô, to) thì quá trình chuyển biến càng chậm. Dùng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit ta có thể tính được tốc độ nguội để loại trừ tổ chức tôi ở vùng ảnh hưởng nhiệt : Trong đó : vng là tôc độ nguội trung bình trong khoảng T1 – (Tm-550). T1 nhiệt độ ứng với đường AC1 (7270C). Tm nhiệt độ kém ổn định của austenit khi chuyển biến đẳng nhiệt. tmin thời gian nhỏ nhất để austenit chuyển biến đẳng nhiệt hoàn toàn khi nguội liên tục. 3 = 2 x 1,5 : trong đó 1,5 là hệ số kể đến sự nguội liên tục, 2 là hệ số kể đến sự lớn lên của hạt austenit khi hàn. Nếu thời gian nung kim loại ở nhiệt độ trên AC3 lâu thì hạt austenit sẽ lớn và tính ổn định sẽ tăng. Thép chứa ít nguyên tố tạo thành cácbit sẽ làm tăng tính ổn định của austenit, các thép chứa các nguyên tố được hợp kim hóa, các nguyên tố tạo thành cácbit thì ngược lại. Trong quá trình hàn cần tính toán tốc độ nguội không được nhanh quá hoặc chậm quá để đảm bảo vùng ảnh hưởng nhiệt không bị tôi mạnh và không xảy ra sự tăng kích thước hạt vùng ảnh hưởng nhiệt. 5.3.2. Hàn thép hợp kim cao 1) Hàn thép Crôm * Thành phần và tính chất kim loại cơ bản Crôm có cấu trúc tinh thể lập phương thể tâm, đồng hình với ferit, vì vậy thép được hợp kim hoá bằng crôm, vùng dung dịch rắn austenit sẽ bị thu hẹp và vùng ferit sẽ được mở rộng. Khi hàm lượng crôm trên 12% sẽ làm cho thép không gỉ ở nhiệt độ thường, với trên 30%Cr sẽ làm cho thép không gỉ ở nhiệt độ cao. Tuỳ theo hàm lượng crôm trong thép mà tên gọi có khác nhau (tên gọi theo tổ chức của thép). Thép có hàm lượng crôm tối đa 12 – 13% và hàm lượng cacbon tối thiểu 0,05 – 0,06% gọi là thép mactenzit. Thép có 13 -16%Cr và 0,06%C gọi là thép mactenzit-ferit (do một lượng ferit còn dư chưa kịp biến đổi khi nung). Thép có trên 25%Cr sẽ có tổ chức hoàn toàn là ferit. Crôm là nguyên tố tạo cacbit hoặc hỗn hợp cacbit (Fe,Cr)23C6 có hoà tan vào kim loại lỏng ở nhiệt độ 9000C, ngoài ra nó còn làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, là nguyên nhân xuất hiện tổ chức mactenzit sau khi hàn. Một số mác thép Cr điển hình, tham khảo sách Công nghệ hàn điện nóng chảy (tập 2 –TS. Ngô Lê Thông, tr.162 – 164.) * Tính hàn của thép không gỉ Crôm Ở nhiệt độ hàn, thép không gỉ crôm bị thay đổi tổ chức và tính chất, xuất hiện các pha giòn do một số nguyên nhân sau : - Giòn ở nhiệt độ 4750C: khi thép bị nung ở nhiệt độ 400 – 5000C thép trở lên giòn (đặc biệt ở nhiệt độ 4750C xuất hiện pha a và a’ có hàm lượng crôm lớn). Thời gian nung đến khi thép bị hoá giòn phụ thuộc vào hàm lượng Cr (ví dụ 12%Cr ở 105giờ, 20%Cr ở 20 giờ). Biện pháp khắc phục là nung ngắn ở nhiệt độ 6000C và làm nguội thật nhanh hoặc nung hoà tan để crôm khuếch tán đều trong thép. - Giòn do pha s: nó hình thành từ khoảng 45%Cr còn lại là sắt (có khi tỷ lệ này tới 1:1). Sự tạo thành pha s diễn ra rất chậm trong khoảng nhiệt độ 600 – 8000C. Với thép chứa hàm lượng Cr trên 20% sẽ làm xuất hiện mạnh pha này. Các nguyên tố Si, Mn, Mo mở rộng vùng tồn tại của pha s (xuất hiện cả ở 9000C). Cacbon và Niken có tác động ngược lại, thép bị biến dạng nguội trước khi hàn sẽ xuất hiện pha s ở nhiệt độ thấp hơn. - Giòn do phát triển hạt thô: thép ferit bị nung tới nhiệt độ trên 11500C có xu hướng phát triển hạt rất nhanh tạo ra tổ chức hạt thô và giòn. Khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm chế độ nhiệt và giảm thời gian nung ở nhiệt độ trên 11500C. * Công nghệ hàn thép không gỉ crôm thuộc nhóm M và nhóm M+F Khi lựa chọn vật liệu hàn để hàn loại thép này cho phép nhận được kim loại mối hàn có tổ chức austenit khác với kim loại cơ bản để tăng tính dẻo của kim loại mối hàn. Trường hợp cần thiết đảm bảo kim loại mối hàn giống với kim loại cơ bản thì cần sử dụng một số biện pháp sau : - Dùng que hàn có thành phần Ti để làm nhỏ hạt và hàn với năng lượng đường thấp. - Nung nóng sơ bộ lên nhiệt độ 200 – 4500C (trên nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenzit, điểm Ms) và nung nóng đồng thời trong quá trình hàn ở 200 – 2500C rồi tiến hành giữ nhiệt ở nhiệt độ 1000C và làm nguội chậm sau khi hàn. Kết thúc quá trình hàn tiến hành ram cao để khử ứng suất dư trong liên kết hàn. Với thép loại tôi ram trước đó thì cần chọn nhiệt độ ram sau khi hàn thấp hơn nhiệt độ ram thép trước khi hàn khoảng 200C để không làm mất tính chất của thép. * Công nghệ hàn thép không gỉ Cr thuộc nhóm ferit Khó khăn chủ yếu khi hàn là sự xuất hiện tổ chức kim loại hạt thô to làm giảm tính dẻo và độ dai va đập của liên kết hàn. Khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm chế độ nhiệt khi hàn, ram ở nhiệt độ 760 – 7800C hoặc sử dụng que hàn có hàm lượng Ni đủ lớn để xuất hiện tổ chức austenit sau khi hàn. Hàn hồ quang tay thường chọn que hàn có thành phần Cr-Ni hoặc Cr-Ni-Mn. Khi hàn tự động dưới lớp thuốc do lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn nhiều hơn nên phải chọn dây hàn có hàm lượng Ni lớn hơn khi hàn hồ quang tay. Khi yêu cầu kim loại mối hàn có tổ chức ferit cần sử dụng que loại thuốc bọc bazơ có hàm lượng lớn fero Ti và nhôm trong vỏ bọc (10X17T, 10X29). Khó khăn nữa gặp phải khi hàn thép ferit là hiện tượng ăn mòn tinh giới (xảy ra cả với thép không gỉ austenit). Việc giảm hàm lượng cacbon trong thép ferit không mang lại hiệu quả cao với hiện tượng ăn mòn tinh giới vì tốc độ khuếch tán của cacbon và crôm trong thép ferit cao hơn nhiều so với thép austenit. Vì vậy để khắc phục hiện tượng này khi hàn dùng que hàn (dây hàn) chứa hàm lượng Ti (0,5%) và Nb (tới 1,0%) có tác dụng ngăn ngừa cacbit crôm hình thành. Ngoài ra hai nguyên tố này còn có tác dụng ngăn cản sự hình thành mactenzit tại tinh giới, tăng tính ổn định của ferit. Biện pháp nữa để giảm lượng cacbit crôm là tiến hành ủ để hoà tan cacbit crôm, phục hồi lại tính chống ăn mòn của thép. 2) Hàn thép Cr - Ni (thép austenit) * Thành phần và tính chất của kim loại cơ bản Thép Cr-Ni được sử dụng nhiều trong ngành năng lượng, hoá chất do có khả năng chịu lạnh, bền nhiệt và chống ăn mòn cao. Loại thép này có độ dẫn nhiệt thấp và hệ số giãn nở nhiệt cao, là nguyên nhân gia tăng ứng suất khi hàn. Thép hợp kim cao Cr-Ni có nhiều loại, phổ biến nhất hiện nay là loại thép thuộc họ 18-8 (18%Cr và 8%Ni). Tuỳ theo mục đích sử dụng chúng được chia thành : - Thép chống ăn mòn (tối đa 0,12%C) : có khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ thường và cao (đến 8000C) trong không khí, trong dung dịch kiềm hoặc axit,…Loại thép này được sử dụng trong ngành hoá chất, dầu khí. - Thép hợp kim bền nhiệt : là các loại thép không gỉ austenit và hợp kim Ni được bền hoá bằng Mo,W (đến 7% mỗi nguyên tố) và B. Loại thép này được dùng chế tạo tuabin khí làm việc ở nhiệt độ 7500C hoặc cao hơn. - Thép chịu nhiệt : là loại thép có khả năng chống ăn mòn bề mặt ở nhiệt độ tối đa 1100 – 11500C. Thành phần của thép có chứa đến 2,5%Al, 7%W và Si tới 2%. Các nguyên tố này tạo thành lớp ôxit trên bề mặt bền vững bảo vệ kim loại khỏi tác động của môi trường ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao. Một số mác thép và công dụng của chúng tham khảo trong sách Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 – Ngô Lê Thông tr.176-178). * Tính hàn của thép không gỉ austenit Tính hàn của thép không gỉ austenit phụ thuộc vào thành phần các nguyên tố hợp kim có trong thép, cụ thể như sau : - Nứt nóng trong kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Với thép hoàn toàn austenit, nứt nóng trong kim loại mối hàn thường xảy ra ở cuối quá trình kết tinh của kim loại lỏng mối hàn do tạo thành pha có nhiệt độ nóng chảy thấp gây hiện tượng tách lớp kim loại mối hàn. Tại vùng ảnh hưởng nhiệt do tốc độ nguội nhanh làm tăng ứng suất kéo gây nên hiện tượng nứt nóng. Khi thép có tổ chức austenit + delta ferit, hiện tượng nứt nóng có thể được khắc phục do các nguyên tố ổn định ferit (Al, Mo, Si) có tác dụng khử lưu huỳnh trong vũng hàn (hoà tan tạp chất và giảm hiện tượng thiên tích). Hình 5 -3. Nứt vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn thép X10NiCrAlTi32-10 Hàn thép austenit, nguy cơ xảy ra nứt nóng cao hơn thép ferit do sự hoà tan S, P ít hơn, được thể hiện ở bảng sau : Nguyên tố bị hoà tan Đông đặc ferit Đông đặc austenit Nồng độ hoà tan (%) Nhiệt độ hoà tan (0C) Nồng độ hoà tan (%) Nhiệt độ hào tan (0C) Si 18,50 1200 2,15 1170 Nb 4,50 1360 2,00 1220 S 0,18 1365 0,05 1356 P 2,80 1050 0,25 1150 O 0,05 - 0,01 - N 0,10 600 2,80 650 Có thể sử dụng một số biện pháp sau để giảm hiện tượng nứt nóng khi hàn : + Chú ý nhiệt độ giữa các đường hàn khi hàn nhiều lớp không vượt quá 1800C để tránh sự lớn lên của hạt. + Dùng que hàn có chứa hàm lượng S, P cực thấp (que hàn đã qua tinh luyện chân không hoặc tinh luyện điện xỉ). + Hàn các thép austenit có thành phần Mo (nhóm 4A) sẽ xảy ra sự tách lớp Mo mạnh khi hàm lượng Mo > 3%. Khi hàn nên sử dụng que hàn với hàm lượng các nguyên tố hợp kim Ti, Nb, V nhằm cải thiện tính chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. + Giảm chế độ nhiệt khi hàn bằng cách giảm năng lượng đường, giảm tiết diện mối hàn và giảm lượng kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn. + Sử dụng vật liệu hàn và quy trình hàn hợp lý để nhận được kim loại mối hàn có thành phần delta ferit nhất định. Nếu lượng delta ferit trong kim loại mối hàn tăng sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn. - Giòn kim loại mối hàn đối với thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt ở nhiệt độ cao Hiện tượng giòn xuất hiện khi kết cấu hàn làm việc ở nhiệt độ cao (350 – 5000C) xảy ra sự khuếch tán cacbon, làm thay đổi tổ chức kim loại dẫn đến giảm tính dẻo của kim loại mối hàn (sự hình thành pha giòn, sự tạo thành Cr23C6). Khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm hàm lượng cacbon trong mối hàn xuống. - Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số giãn nở nhiệt lớn Thép austenit có hệ số giãn nở nhiệt lớn hơn nhiều so với thép cacbon thấp. Khi hàn nhiều lớp, do ảnh hưởng nhiệt nên lớp hàn đầu tiên thường bị biến dạng nhiệt (biến cứng). Các yếu tố làm suy giảm cơ tính kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt và các lớp hàn đầu tiên : + Chu trình nhiệt hàn (phụ thuộc vào từng phương pháp hàn) nếu không đúng sẽ làm giảm tính dẻo và độ bền của liên kết hàn. + Nhiệt độ vận hành cao làm cho các pha mịn cacbit và pha sigma bị cầu hoá, gây nên hiện tượng giòn. + Quá trình tạo thành cacbit và pha sigma trong kim loại mối hàn làm giảm tính dẻo của kim loại mối hàn. Để khắc phục những khó khăn trên có thể dùng các biện pháp sau : + Tôi đồng nhất hoá tổ chức austenit ở 1050 – 11000C để khử ứng suất dư, khử biến cứng và làm đồng đều thành phần hoá học mối hàn. + Ủ ổn định hoá ở 750 – 8000C để hoà tan cacbit và pha sigma. - Hiện tượng phá huỷ liên kết hàn thép austenit do ăn mòn tinh giới Trong phạm vi kim loại nguội xuống từ 800 – 5000C, Cr23C6 được hình thành. Thời gian nguội trong khoảng nhiệt độ này càng lâu thì càng tạo nhiều cacbit crôm, làm cho hàm lượng Cr trong vùng đó giảm xuống dưới trị số có khả năng chống ăn mòn (12 – 13%Cr). Biên giới hạt từ trạng thái thụ động sẽ chuyển sung trạng thái bị động khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn. Có ba dạng ăn mòn tinh giới : + Ăn mòn tinh giới xảy ra tại vùng ảnh hưởng nhiệt: khi kim loại cơ bản không chứa đủ lớn lượng Ti, Nb, V , sẽ gia tăng nguy cơ hình thành cacbit crôm. + Ăn mòn tại kim loại mối hàn: Do tác động của chu trình nhiệt hàn, tại tinh giới kim loại mối hàn sẽ tiết ra Cr23C6. Nếu kim loại mối hàn chứa nhiều cacbon hoặc thiếu Ti, Nb, V hoặc thời gian lưu kim loại trong khoảng nhiệt độ 800 ¸ 5000C lâu sẽ tạo càng nhiều cacbit crôm. + Ăn mòn cục bộ: xảy ra ở sát đường chảy của kim loại mối hàn. Loại ăn mòn này xuất hiện ở thép đã được ổn định hoá bằng Ti, Nb. Khi hàn, vùng sát đường chảy của kim loại mối hàn được nung lên trên 12500C gây hoà tan cacbit NbC và TiC vào austenit, khi nguội xuống 800 – 5000C sẽ xuất hiện Cr23C6 nhưng không xuất hiên NbC và TiC nửa. Có thể khắc phục hiện tượng ăn mòn tinh giới bằng các biện pháp sau: + Giảm hàm lượng cacbon trong thép xuống giới hạn hoà tan trong austenit (0,02 ¸ 0,03%). + Hợp kim hoá austenit bằng Ti, Nb, V, Ta. + Nung hoà tan ở nhiệt độ 950 ¸ 11500C và tránh lưu kim loại lâu trong khoảng nhiệt độ 800 ¸ 5000C. + Nâng cao hàm lượng Cr trong thép lên trên 24%Cr. - Hiện tượng phá huỷ do ăn mòn dưới ứng suất Hiện tượng ăn mòn dưới ứng suất do tác động đồng thời của môi trường ăn mòn và ứng suất kéo (do hàn, nắn chỉnh sửa, mài thô hoặc giãn nở nhiệt). Loại ăn mòn này xảy ra ở vùng chuyển tiếp giữa các tinh thể ở kim loại mối hàn và kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt khi kết cấu làm việc trong môi trường dung dịch giàu clo, xút hoặc nước giàu ôxy ở nhiệt độ cao hơn 700C. Các biện pháp hạn chế loại ăn mòn này là : + Nâng cao thành phần ferit trong thép Cr-Ni (dùng thép austenit + ferit). + Nâng cao hàm lượng Mo (sử dụng thép V4A – CrNiMo thay cho V2A – CrNi). + Giảm ứng suất kéo trong vật liệu bằng cách nung ở nhiệt độ 4500C, hoặc nung hoà tan, phun bi trên bề mặt (tạo ứng suất nén riêng trên bề mặt vật liệu). * Công nghệ hàn thép austenit Để có biện pháp công nghệ phù hợp đảm bảo nhận được mối hàn có chất lượng theo yêu cầu, khi hàn các thép Austenit ta cần tuân thủ các vấn đề sau : - Không nên hàn mà không có vật liệu phụ gia (que hàn). - Làm sạch sẽ chất bẩn, dầu mỡ về mỗi phía mép hàn ít nhất 50mm - Sử dụng que hàn có cùng tính chất với kim loại cơ bản nhưng với thành phần Niken lớn hơn. - Chuẩn bị liên kết hàn sao cho thành phần kim loại cơ bản tham gia vào hình thành mối hàn ít nhất. - Khi hàn cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ các lớp giữa mối hàn không được quá lớn (nhiệt độ này phụ thuộc vào thành phần kim loại vật hàn). - Khống chế kích thước bể hàn nhỏ để giảm chế độ nhiệt (mỏ hàn đi thẳng hoặc dao động ngang trong phạm vi tối đa 1 ¸ 2 lần đường Dòng que hàn), ưu tiên hàn với hồ quang xung khi hàn các vật mỏng. - Chú ý tốc độ làm nguội mối hàn không được quá nhanh để giảm nguy cơ nứt nóng do tách lớp kim loại. - Cuối đường hàn phải được lấp đầy và giữ mỏ hàn từ 5 ¸ 10 giây sau khi tắt hồ quang. - Với các thép ổn định austenit (được hợp kim với Ti, Nb, Ta, V) khi hàn có xu hướng hạ thấp nhiệt độ tạo cacbit và kéo dài thời gian bắt đầu hình thành cacbit; do đó ít nhậy cảm với ăn mòn giữa các tinh thể. Tuy nhiên, khi hàm lượng các bon trong thép này lớn (tỷ lệ Ti/C = 4:1 , Nb/C = 8:1) thì hàm lượng các nguyên tố Ti, Nb bị giảm, do đó khả năng chống ăn mòn thấp. Để giảm nguy cơ ăn mòn, sử dụng que hàn có thành phần Ti, Nb, V,... hoặc có hàm lượng Cr, Ni cao. Nhiệt độ lớp giữa không nên vượt quá 1800C. - Hàn các thép austenit với hàm lượng cacbon từ 0,05% trở lên cần phải tính đến nguy cơ ăn mòn giữa các tinh thể. Cần lựa chọn que hàn chất lượng với hàm lượng Cr và Ni cao hoặc được hợp kim thêm Ti, Nb,.... Chú ý nhiệt độ lớp giữa không được vượt quá 1500C. - Hàn các thép hợp kim cao với hàm lượng cacbon thấp, thông thường C < 0,02% (X1CrNi.........., X2CrNi.........), các thép bền nhiệt, nguy cơ ăn mòn tinh giới thấp, do đó phạm vi điều chỉnh chế độ hàn rộng hơn. Tuy nhiên, để đạt mối hàn có chất lượng cao nên sử dụng que hàn với hàm lượng Cr, Ni lớn và nhiệt độ lớp giữa không vượt quá 2000C. - Hàn các thép austenit không có Mo (nhóm 2A), nguy cơ nứt nóng ít xảy ra nhưng khả năng bền hoá ăn mòn lỗ thấp. Hàn các thép austenit có thành phần Mo (nhóm 4A), tuy cải thiện được việc chống ăn mòn lỗ nhưng sẽ xảy ra sự tách lớp Mo mạnh khi hàm lượng Mo > 3%. Khi hàn nên sử dụng que hàn với hàm lượng các nguyên tố hợp kim Ti, Nb, V nhằm cải thiện tính chống ăn mòn ở nhiệt độ cao. - Hàn các thép bền nhiệt và bền ăn mòn ở nhiệt độ cao (hàm lượng Cr trong thép tối thiểu 13% : X15CrNiSi25-20) có nguy cơ hoá giòn do sự tạo thành pha giữa các kim loại (Fe36Cr12Mo10 và Fe2Mo) ở nhiệt độ từ 500 0C ¸ 10500C nên hay xảy ra nứt nóng. Do đó khi hàn nên chọn chế độ nhiệt thấp , nhiệt độ lớp giữa nằm trong khoảng 100 ¸ 1800C, sử dụng que hàn có thành phần Ni cao. - Hàn thép hoàn toàn austenit (Superausstenit) do có xu hướng tách lớp ở nhiệt độ cao nên có nguy cơ nứt nóng mạnh khi hàn; do đó cần phải hàn với chế độ nhiệt hàn thấp đến có thể với phạm vi thay đổi chế độ hàn hẹp. Khi hàn sử dụng que hàn có hàm lượng Ni và Cr lớn hơn trong kim loại vật hàn từ 1 ¸ 2%; nhiệt độ lớp giữa nằm trong khoảng 90 – 1500C. - Ví dụ về việc lựa chọn vật liệu hàn thích hợp : Kim loại vật hàn Kim loại que hàn X5CrNiMo17-12-2 19 12 3; 19 12 3 Nb; 19 12 3 L X5CrNiMoTi17-12-2 19 12 3 Nb; 19 12 3 L X2CrNiMo17-12-2 19 12 3 L X1CrNiMoCu25-20-5 20 25 5 Cu NL ; EL-NiCr20Mo9Nb ; X2CrNiMoCu20-25 ; NiCr21Mo9Nb Thép Cr – Ni có thể được hàn bằng nhiều phương pháp hàn khác nhau đều cho chất lượng mối hàn tốt. - Khi hàn hồ quang tay bằng que có thuốc bọc nên chọn que hàn loại thuốc bọc bazơ, sử dụng năng lượng đường nhỏ, hàn với hồ quang ngắn không dao động ngang. - Hàn dưới lớp thuốc dùng thuốc hàn thuộc nhóm bazơ, không chứa ôxy để tránh ôxy hoá các nguyên tố hợp kim. Do điện trở riêng của thép austenit cao nên tầm với điện cực nhỏ hơn 1,5–2 lần so với thép hợp kim thấp. Sau khi hàn xong phải tẩy sạch xỉ hàn để tránh ăn mòn trong quá trình làm việc. - Hàn trong môi trường khí bảo vệ : thích hợp nhất là hàn trong môi trường khí trơ bảo vệ vì phương pháp hàn này cho chất lượng mối hàn cao. Khi hàn các mối hàn ống hoặc hàn các tấm có chiều dầy trên 3mm cần phải có khí bảo vệ mặt sau mối hàn để tránh bị ôxy hoá. 5.4. Hàn gang 5.4.1 Tính hàn của gang Gang là vật liệu có tính hàn xấu, do một số nguyên nhân sau : - Tốc độ nguội của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt lớn làm xuất hiện các khu vực có tổ chức xêmentit Fe3C có độ cứng cao và dòn nên dễ bị nứt. - Sự nung nóng và làm nguội không đều sẽ xuất hiện ứng suất dư lớn làm cho mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt dễ bị nứt. - Lượng khí sinh ra trong vũng hàn lớn và kéo dài trong suốt quá trình kết tinh nên dễ dẫn đến hiện tượng rỗ khí trong mối hàn. - Độ chảy loãng của gang cao nên kim loại lỏng dễ chảy ra khỏi vũng hàn dẫn đến sự hình thành mối hàn khó. - Sự có mặt của Si, S và một số nguyên tố khác trong vũng hàn làm cho xỉ khó chảy nên dễ dẫn đến hiện tượng rỗ xỉ và hàn không ngấu. Do tính hàn xấu của gang nên trước khi hàn cần xem xét cẩn thận từng loại gang xem có cần phải nung nóng sơ bộ trước khi hàn hay không hoặc cần phải nhiệt luyện sau khi hàn. 5.4.2. Phương pháp và kỹ thuật hàn gang Trước khi hàn cần xác định rõ thành phần kim loại cơ bản sau đó mới đưa ra được phương pháp hàn thích hợp. Các phương pháp hàn gang là hàn nóng hoặc hàn nguội và bán nguội gang. 1, Phương pháp hàn nóng gang Trước khi hàn, nung nóng sơ bộ chi tiết lên 600-6500C (tốc độ nung 1200C/h) và làm nguội chậm sau khi hàn (thường nung nóng toàn bộ chi tiết trong lò nung). Để ngăn ngừa kim loại chảy ra ngoài, dùng khuôn làm bằng tấm grafit và được gắn với nhau bằng bột thạch anh trộn với nước thủy tinh, sau khi làm xong phải sấy khô. Que hàn sử dụng là loại có lõi bằng gang với chiều dầy vỏ bọc tối đa 2mm. Thuốc bọc que hàn phải đảm bảo hồ quang cháy đều và phải chứa một lượng đủ lớn các nguyên tố thúc đẩy sự graphit hoá. Dòng điện hàn là dòng một chiều hoặc xoay chiều với Ih = (60 ¸100)d. Hàn bằng ngọn lửa khí dùng thuốc hàn (bôrăc không ngậm nước) để chuyển các ôxit khó nóng chảy thành các chất dễ chảy. Lõi que hàn có thể bằng thép cácbon thấp hoặc gang, sau khi hàn phải làm nguội với tốc độ nguội chậm trong cát hoặc bột than. *Một số hình ảnh hàn sửa chữa vật đúc bằng gang Hình 5-4. Phương pháp hàn nóng gang trong lò nung Hình 5-5. Chuẩn bị trước khi hàn nóng gang Hình 5-6. Lò nung chuyên dụng để hàn nóng gang Hình 5-7. Biện pháp tạo khuôn phòng tránh gang chảy ra ngoài khi hàn Hình 5-8. Vật đúc bằng gang sau khi đã được hàn đắp khuyết tật Hình 5-9. Hàn nóng gang trong lò bằng ngọn lửa hàn khí 2) Hàn nguội và bán nguội gang Hàn nguội gang đòi hái phải sử dụng công suất nguồn nhiệt tối thiểu để hạn chế hình thành tổ chức tôi và tổ chức biến trắng (Fe3C) tại vùng ảnh hưởng nhiệt. Hàn nguội gang không nung nóng trước khi hàn, còn nếu nung nóng lên nhiệt độ 300 - 4000C thì gọi là hàn bán nguội. Thực hiện hàn từng đoạn ngắn khoảng 3 ¸ 5cm sau đó để nguội xuống dưới 500C mới hàn tiếp. Hàn theo phương pháp phân đoạn nghịch, hàn đối xứng từ giữa ra hai bên hoặc hàn gián đoạn. Hình 5-10. Phương pháp chuẩn bị hàn trong sửa chữa khuyết tật ở gang Để giảm hiện tượng nứt mối hàn có thể sử dụng một số loại que hàn sau : - Que hàn có lõi Ni (trên 80%Ni) với tối đa 0,15%C, 0,75%Si, 0,50%Mn, 0,01%S, 0,50%Fe và 0,50%Cu. Loại que hàn này chứa graphit trong vỏ bọc và thường có đường kính dưới 3mm, thường dùng hàn gang xám. - Que hàn có lõi là hợp kim Ni-Fe (tối thiểu 37%Fe và có tới 60%Ni). Loại que hàn này cho cơ tính kim loại mối hàn cao hơn que có lõi Ni, được dùng chủ yếu để hàn gang cầu. - Que hàn lõi là hợp kim Ni – Cu (chứa tới 29%Cu, 69%Ni) cho kim loại mối hàn có khả năng chịu được các môi trường ăn mòn. Để nhận được mối hàn là gang xám, có thể dùng que hàn có lõi que bằng thép cácbon thấp CB – 08 hoặc CB – 08A, lúc đó thuốc bọc phải chứa đủ các nguyên tố thúc đẩy sự hợp kim hóa mối hàn (C và Si). * Kỹ thuật hàn gang Hàn gang chủ yếu dùng sửa chữa các khuyết tật của vật đúc, các chi tiết máy bị nứt trong quá trình làm việc. Để đảm bảo chất lượng mối hàn đáp ứng yêu cầu làm việc của chi tiết, quá trình hàn nên nung nóng sơ bộ nhằm giảm tốc độ nguội xuống. Trường hợp hàn đắp các vết nứt, trước khi hàn nên tiến hành khoan chặn hai đầu để tránh vết nứt phát triển khi hàn, tiến hành hàn theo trình tự sao cho qúa trình phân bố ứng suất hàn có lợi trong quá trình chi tiết làm việc. 5.5. Hàn đồng và hợp kim đồng 5.5.1. Đặc điểm tính hàn Đồng và hợp kim đồng có tính hàn xấu gây rất nhiều khó khăn phức tạp cho quá trình công nghệ hàn bởi các đặc điểm sau: a) Tính dẫn nhiệt cao do đó yêu cầu nguồn nhiệt phải có công suất lớn. Ở nhiệt độ cao hạt đồng có khuynh hướng lớn lên mạnh đặc biệt khi hàn nhiều lớp. Vì vậy sau mỗi lớp hàn phải rèn ở nhiệt độ ( 550 – 600oC ) để làm nhỏ hạt. b) Đồng dễ bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao tạo các oxit khó chảy. Cùng tinh đồng- ôxit đồng (Cu – Cu2O) tạo thành ở nhiệt độ 1064oC phân bố theo tinh giới gây nên hiện tượng nứt nóng khi hàn. Lượng O2 trong mối hàn phải < 0,01%, đưa vào mối hàn các chất khử O2 như P, Mn, Si. Sự khử ôxit đồng trong quá trình hàn: 2P + 5Cu2O = 10Cu + P2O5 . P2O5+ 3Cu2O = P2O5 (Cu2O)3 ® đi vào xỉ Si + 2Cu2O = 4Cu + SiO2 . Mn + Cu2O = 2Cu + MnO SiO2 + MnO = MnOSiO2 ® đi vào xỉ Để giảm nhiệt độ chẩy của ôxit đồng dùng thuốc có thành phần 95% Na2B4O7 và 5% Mg, sự tạo thành phức chất dễ chảy theo phản ứng sau: 2CuO + Na2B4O7 ® 2NaBO2.CuO.B2O3 Dùng phốt pho hạn chế vì khi hàn nó có khả năng hợp kim hoá kim loại làm giảm tính chống ăn mòn và tính dẫn điện của đồng. c) Một số tạp chất trong đồng tác dụng với O2 tạo thành ôxit, các ôxit này cùng với đồng tạo thành các cùng tinh dễ chảy dễ gây nên hiện tượng nứt nóng. + Các ôxit bismut BiO, Bi2O3…. Tạo thành có nhiệt độ nóng chảy 270oC, ôxit chì nóng chảy ở nhiệt độ 326oC. Do vậy cần hạn chế các tạp chất này trong đồng và hợp kim đồng đến mức thấp nhất ( Bi < 0,002% ; Pb < 0,005% ). + Để phá vỡ lớp ôxýt Al khó chảy khi hàn đồng thanh Al dùng thuốc hàn thành phần gồm: hợp chất Florua và Clorua của kim loại kiềm .v.v… Khi hàn đồng thau kẽm dễ bay hơi do tạo thành ôxýt kẽm, hơi ôxýt kẽm là chất đọc hại cho nên khi hàn phải chú ý thông gió tốt. d) Đồng có hệ số giãn dài tương đối lớn ( lớn hơn 1,5 lần so với thép) nên khi hàn dễ gây nên hiện tượng biến dạng lớn, nứt làm giảm cơ tính của liên kết hàn. Vì vậy khi hàn cần chú ý việc kẹp chặt chi tiết để không cản trở sự giãn nở và sự co của liên kết. e) Ở trạng thái lỏng đồng hoà tan nhiều khí nhất là H2 và O2. + Trong vũng hàn hiđrô nguyên tử hoàn nguyên đồng từ oxyt: Cu2O + 2H = 2Cu + H2O Do đồng nguội nhanh H2 và hơi nước không kịp thoát ra hết khỏi vũng hàn dễ gây nên hiện tượng rỗ và nứt. + Khắc phục: cần phải sấy khô điện cực, thuốc hàn cũng như khí bảo vệ trước khi hàn cẩn thận. + Ngoài ra CO cũng có khả năng hoàn nguyên Cu. Cu2O + CO = 2Cu + CO2 CO2 không hoà tan vào đồng khi nguội không kịp thoát ra ngoài gây nên hiện tượng rỗ khí. + Đồng có ái lực yếu với Nitơ cho nên khi hàn đồng và hợp kim đồng có thể dùng Nitơ làm khí bảo vệ. f) Độ chảy loãng cao của Cu và hợp kim đồng gây khó khăn rất lớn cho trường hợp hàn đứng và hàn trần vì vậy khi hàn ở Những vị trí này cần phải dùng que hàn có thuốc bọc dầy, hàn với chế độ hàn thấp, hồ quang ngắn. 5.5.2. Hàn đồng và hợp kim đồng bằng phương pháp hàn điện nóng chảy Đồng và hợp kim đồng có thể hàn bằng tất cả các phương pháp hàn điện nóng chảy. Song hiện nay dùng phổ biến nhất là các phương pháp sau: hàn hồ quang tay bằng điện cực không nóng chảy và nóng chảy, hàn tự động hay bán tự động dưới lớp thuốc hoặc trong môi trường khí bảo vệ. 1) Hàn hồ quang tay bằng điện cực than hay grafit: - Trước khi hàn cần làm sạch bề mặt và hai mép hàn ( rộng 30mm về mỗi phía các chất bẩn…) - Nung nóng sơ bộ chi tiết lên 300°C bằng lò nung hay ngọn lửa hàn khí. - Kích thước các phần tử mép hàn phụ thuộc chiều dày chi tiết hàn. - Các chi tiết có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 4mm không cần vát cạnh, các chi tiết có chiều dày > 4mm vát cạnh với góc vát a = 70° ¸ 90°. - Lắp ghép chi tiết đảm bảo khe hở đều và nhỏ (£ 0,5 mm) - Điện cực than hay Grafit có d = 4 ¸ 20 mm. - Que hàn phụ bằng kim loại có tiết diện chữ nhật hoặc tròn bằng đồng nhãn hiệu Mo, M1, M2, hoặc đồng thanh. Tiết diện que hàn phụ không < 20 ¸ 25mm để giảm sự ôxy hoá. - Thuốc hàn bảo vệ : 95% Na2B4O7 + 5% Mg. - Dòng hàn: Dòng 1 chiều cực thuận, chiều dài hồ quang không ngắn quá 5 ¸ 6 mm. - Chế độ hàn Uh ³ 40V; Ih = (45 ¸ 50)d; Vh ³ 0,25 m/phút. - Hàn ở vị trí hàn sấp sau khi hàn nên rèn mối hàn ở nhiệt độ 500°C – 800°C rồi làm nguội nhanh trong nước tránh sự tập trung của Cu2O ở tinh giới. 2) Hàn hồ quang tay bằng điện cực nóng chảy + Chuẩn bị liên kết hàn giống như hàn bằng điện cực không nóng chảy. + Dùng que hàn có nhãn hiệu 3T và JL – 1 - Que 3T lõi đồng thanh silic mangan (bpKM 3-1) ngoài bọc lớp thuốc dày 0,4 mm về mỗi phía. - Thành phần thuốc bọc % gồm: Quặng Mn……………………..17,5 Fluôrit ………………………..32,0 Grafit- bạc ………………….. 16,0 Ferosilic (75%)……………….32,0 Bột Al …………………………2,5 - Que JL– 1: Lõi đồng kỹ thuật M1, M2, ngoài bọc lớp thuốc dày 0,4 mm về mỗi phía - Thành phần thuốc bọc % gồm có: Fluôrit ………………………..10 Penspat ………………………..12 Feromangan……………………50 Ferosilic (75%)…………………8 Nước thuỷ tinh………………….20 - Thường dùng loại que có d = 4 ¸ 6 mm, hàn không có dao động ngang. - Hàn tiến hành bằng dòng một chiều cực ngịch Ih = (50 ¸ 60)d. - Hàn bằng điện cực trên đảm bảo nhận được mối hàn có độ bền tốt, song mối hàn được hợp kim hoá do đó làm giảm tính dẫn điện của mối hàn xuống thấp hơn với kim loại cơ bản 20 ¸ 25 %. - Sau khi hàn nên rèn mối hàn ở nhiệt độ 500 ¸ 800o C rồi làm nguội nhanh trong nước. 3) Hàn tự động dưới lớp thuốc - Hàn tự động dưới lớp thuốc có thể tiến hành bằng điện cực không nóng chẩy hay điện cực nóng chẩy. - Hàn bằng dòng một chiều cực ngịch. + Hàn bằng điện cực nóng chảy có thể tiến hành dưới lớp thuốc O C - 45 hay AN -348A. - Dây hàn đồng kỹ thuật (M1, M2) hay đồng thanh (bpKM 3 – 1; bpOC 4 – 3…). - Hàn đồng thau sử dụng thuốc hàn có nhãn hiệu AHF - 5; MAT– 5 và dây hàn đồng kỹ thuật. - Chế độ hàn tự động hoặc bán tự động dưới lớp thuốc Cu, hợp kim đồng chọn theo bảng sau: S (mm) Liên kết hàn chuẩn bị d (mm) n Ih (A) Uh (V) Vh (m/h) 2 – 6 Không vát mép 1,2 – 4 1 140 – 340 30 – 35 25 8 Vát mép chữ V 3 2 360 – 410 35 – 38 20 10 Vát mép chữ V 3 2 470 – 560 35 – 38 20 12 Vát mép chữ V 3 2 510 – 600 35 – 40 20 15 Vát mép chữ V 4 2 570 – 680 35 – 40 20 4) Hàn trong môi trường khí bảo vệ + Là phương pháp hàn bảo đảm nhận được mối hàn có chất lượng tốt và hiện nay được sử dụng phổ biến vì trong mối hàn có chứa lượng tạp chất rất nhỏ. + Chuẩn bị liên kết hàn phụ thuộc vào chiều dày của chi tiết. S £ 5 mm không cần vát cạnh. S = 6 ¸12mm vát cạnh chữ V. S > 12mm vát cạnh chữ X. - Góc vát a = 70° ¸ 90° khi hàn bằng điện cực không nóng chảy, còn a = 60° ¸ 70° khi hàn bằng điện cực nóng chảy. Hình 5-11. Mối hàn đồng thanh nhận được bằng phương pháp hàn MIG + Lắp ghép chi tiết hàn có thể dùng đồ gá hay hàn đính trước. Để đảm bảo hình dạng và kích thước phía sau có thể hàn trên tấm đệm grafit hay bằng đồng. + Nhiệt độ nung nóng sơ bộ trước khi hàn phụ thuộc vào chiều dày của chi tiết: S £ 5 mm, nhiệt độ nung 350°C; S > 5 mm nung nóng lên nhiệt độ 600°C ¸ 800°C. + Trước khi hàn làm sạch mép hàn và dây hàn cẩn thận. + Hàn có thể thực hiện bằng điện cực nóng chảy và không nóng chảy W. + Khí bảo vệ: Dùng khí trơ (Ar, He hay N2) các khí này không tác dụng và không hoà tan vào trong kim loại. Có thể dùng hỗn hợp khí (70 ¸ 80)% Ar + (20 ¸ 30)% N2. + Để dễ gây hồ quang và hồ quang cháy ổn định điện cực W được hợp kim hoá bằng Lantan, Ytri. + Đường kính điện cực £ 6 mm. + Kim loại phụ, điện cực nóng chảy thường là đồng hoặc hợp kim đồng thành phần giống như kim loại cơ bản. + Dòng điện hàn: điện cực không nóng chảy dùng dòng điện xoay chiều hay một chiều cực thuận. Điện cực nóng chảy thực hiện bằng dòng 1 chiều cực nghịch. + Đường kính điện cực W, dây hàn chọn theo bảng: S (mm) 1 – 1,5 2 – 3 4 – 6 7 – 10 11 – 16 16 d (W) mm 1,6 – 2 3 – 4 4 – 5 4 – 5 5 – 6 6 Dây hàn phụ d (mm) 2 3 4 5 5 – 6 6 + Hàn bằng điện cực W thì Ih chọn theo đường kính điện cực, loại dòng điện và khí bảo vệ. + Hàn trong môi trường N2 hay hỗn hợp khí N2 và H2 thì Ih giảm 10 ¸ 15% và Uh tăng 15 ¸ 20% so với hàn trong môi trường khí bảo vệ Ar. + Khi hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ thường tiến hành bằng phương pháp hàn bán tự động với dây hàn có d = 1,2 mm. Nếu d = 1 mm thì Ih = (150 ¸ 200) A. Nếu d = 2 mm thì Ih = (300 ¸ 450) A; Uh = (22 ¸ 26) V. + Với đồng thau và đồng thanh tốt nhất hàn bằng điện cực W vì hàn bằng điện cực nóng chảy thì Zn và Sn sẽ bị bay hơi nhiều hơn. - Do nguồn nhiệt sử dụng để hàn đồng có công suất lớn nên độ bền của vùng ảnh hưởng nhiệt bị giảm đáng kể. Trong quá trình hàn phải tìm mọi cách khử ôxy, nếu không sẽ tạo rỗ bọt và làm cho đồng bị giòn hoá (do tạo thành cùng tinh Cu – Cu2O). Hìn 5-12. Sự tạo thành cùng tinh Cu - Cu2O - Để nhận được mối hàn có chất lượng theo yêu cầu, khi hàn nóng chảy đồng cần tuân theo các quy tắc sau : + Bảo quản tách rời các vật liệu đồng với các kim loại khác để tránh nguy cơ ăn mòn. + Làm sạch mép hàn về mỗi phía ít nhất 50mm để tránh tạo rỗ khí trong mối hàn. + Vì đồng có độ dẫn nhiệt cao nên thường phải hơ nóng trước, hàn với trị số dòng điện cao hoặc hàn đồng thời cả hai phía. + Nguy cơ biến dạng cong vênh lớn khi hàn nên cần có quy trình gá lắp cẩn thận. + Sử dụng que hàn có chất khử ôxy. - Khi hàn đồng cần phải bảo vệ mắt và khuôn mặt chống lại tia cực tím và nhiệt, có biện pháp bảo vệ hô hấp khi hàn đồng thau. - Các vật liệu hợp kim đồng thích hợp hàn với phơưng pháp hàn TIG/MIG là : đồng được khử ôxy, hợp kim Cu – Al – Sn, Cu – Ni và Cu – Sn. * Hàn đồng và hợp kim đồng bằng phương pháp hàn TIG Các nguyên tố hợp kim chính trong hợp kim đồng ảnh hưởng tới tính hàn là kẽm, thiếc, niken và nhôm. Quy trình hàn TIG thích hợp cho hàn vật liệu đồng có chiều dầy tới 16mm. Khi hàn mối hàn giáp mối bằng dòng điện một chiều cực âm ở vị trí hàn bằng, trị số dòng điện có thể chọn theo bảng sau : Chiều dầy tôn (mm) Dạng ghép nối Số lớp hàn Đường kính điện cực (mm) Cường độ dòng điện hàn (A) 1,5 II 1 1,6 90...100 3,0 II 1 3,2 150...200 5 V 2 4,0 180...200 16 V 4....5 4,0 400...475 Khi hàn vật có chiều dầy 1,6mm có thể dùng lót đáy bằng kim loại, sử dụng khí bảo vệ Ar hoặc khí trộn Ar + He. Khi hàn với khí trộn Ar + He sẽ đạt được chiều sâu ngấu tốt hơn và đạt được tốc độ hàn cao so với dùng khí bảo vệ Ar ở cùng một trị số dòng hàn. Hàn với khí trộn 75%He + 25% Ar sẽ kết hợp được các ưu điểm của khí He (độ ngấu tốt, tốc độ hàn cao), đồng thời cả ưu điểm của khí Ar (gây hồ quang dễ dàng, hồ quang cháy ổn định hơn). Hình 5-13. Hàn và nung nóng đồng cùng một lúc từ hai phía bằng hàn TIG - Hàn TiG hợp kim Cu-Al (đồng thanh nhôm) sử dụng que hàn mang nhãn hiệu ERCuAl-A2 (theo tiêu chuẩn ANSI/AWS 5.7). Dòng điện xoay chiều được sử dụng kết hợp với khí bảo vệ Ar sẽ có tác dụng làm sạch các lớp ôxit trên bề mặt vũng hàn trong suốt quá trình hàn. Có thể sử dụng dòng DC đấu nghịch với khí bảo vệ Ar hoặc Ar + He trong hàn các liên kết ghép nối để đạt được độ ngấu sâu và tốc độ hàn nhanh (tuỳ thuộc vào yêu cầu hàn cụ thể). Việc nung nóng sơ bộ trước khi hàn phụ thuộc vào chiều dầy vật hàn. - Hàn đồng thanh silic có thể sử dụng que hàn là hợp kim đồng thanh silic mang nhãn hiệu ERCuSi-A. Công việc hàn có thể sử dụng với dòng DC, khí bảo vệ là Ar hoặc Ar + He. Cũng có thể hàn với dòng AC khi dùng khí bảo vệ là Ar. * Bảng so sánh sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn trong ký hiệu vật liệu Cu-Ni 90/10 dùng làm vật liệu chế tạo ống Tiêu chuẩn DIN/EN ASTM ISO Ký hiệu vật liệu CuNi10Fe1Mn CuNi10Fe1Mn Mó số vật liệu 2.0872/CW352H UNS C70600 Hàm lượng các nguyên tố hợp kim (%) Ni 9.0-11.0 9.0-11.0 9.0-11.0 Fe 1.0-2.0 1.0-1.8 1.0-2.0 Mn 0.5-1.0 1.0 0.5-1.0 Ti 0.03 - 0.03 C 0.05 0.05 0.05 Pb 0.02 0.02 0.02 P 0.02 0.2 0.02 S 0.05 0.02 0.02 Zn 0.05 0.5 0.5 Co 0.1 - 0.05 Các tạp chất khác 0.2 - 0.1 5) Hàn đồng và hợp kim đồng bằng ngọn lửa hàn khí Hàn khí chỉ thích hợp với đồng thau, với các hợp kim đồng khác khi hàn phải có điều kiện. Trước khi hàn phải làm sạch mép hàn về mối phía 50mm. Chuẩn bị liên kết hàn chú ý đến chiều dầy vật liệu. Với chiều dầy vật liệu S = (1,5 ¸ 2)mm tiến hành gấp mép; S = 3mm không cần vát mép, S = (4 ¸ 10)mm vát mép 450; S > 10 vát mép 900. Để quá trình hình thành mối hàn được dễ dàng nên dùng tấm lót đáy mối hàn khi hàn vật mỏng hoặc lớp lót mối hàn nhiều lớp (hình vẽ). Hình 5-14. Một số dạng liên kết hàn đồng giáp mối Hàn đồng nguyên chất dùng ngọn lửa bình thường, công suất ngọn lửa chọn như sau : W = (190 ¸ 225).S (l/h) Nếu vật hàn được nung nóng sơ bộ thì : W = (125 ¸ 150).S (l/h) Trong đó S là chiều dầy vật hàn (mm), công suất ngọn lửa tính bằng lượng khí C2H2 tiêu thụ trong một giờ. Chọn que hàn có thành phần tương tự như vật hàn nhưng phải chứa chất khử ôxy như P, Si. Thuốc hàn dùng loại bôzắc Na2B4O7 hoặc axitboric H3BO3. Hàn đồng thau chỉnh ngọn lửa hơi thừa ôxy để tạo nên lớp ôxit kẽm trên bề mặt vũng hàn ngăn cản sự bốc hơi của kẽm. Công suất ngọn lửa: W = (100 ¸ 150)S (l/h). Que hàn dùng loại có thành phần khử ôxy như Al, Si, Ni, Mn, Ag…. Thuốc hàn dùng loại bôzắc Na2B4O7 hoặc axitboric H3BO3. Hàn đồng thanh chỉnh ngọn lửa bình thường, với đồng thanh nhôm trước khi hàn nên nung nóng sơ bộ vật hàn lên 350 – 4500C. Công suất ngọn lửa chọn như sau : Khi không nung nóng sơ bộ W = (125 ¸175).S (l/h) Khi nung nóng sơ bộ W = (100 ¸150).S (l/h) Thuốc hàn đồng thanh thiếc hoặc đồng thanh Silic dùng bôrăc, khi hàn đồng thanh nhôm dùng thuốc hàn có thành phần : 45%KCl + 20%BaCl + 20%NaCl + 15%NaF ; hàn đồng thanh Niken biến dạng dùng thuốc hàn có thành phần : Na2B4O7, H3BO3, NaCl. Hình 5-15. Hàn đồng bằng ngọn lửa hàn khí Hàn nhôm và hợp kim nhôm 5.6.1. Đặc điểm chung về tính hàn của nhôm và hợp kim nhôm Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu có tính hàn xấu vì các đặc điểm cơ bản sau: a) Nhôm dễ tác dụng với ôxy tạo thành ôxit nhôm khó chảy (Al2O3 nóng chảy ở nhiệt độ 2050°C). Mặt khác Al2O3 có khối lượng riêng (3,85 g/cm3) lớn hơn khối lượng riêng của nhôm nên dễ nằm lại trong mối hàn gây nên rỗ xỉ. Ngoài ra ôxyt nhôm còn tạo lên lớp màng phủ trên bề mặt mép hàn dễ gây nên hiện tượng hàn không dính. b) Nhôm và hợp kim nhôm có tính chảy loãng cao, kim loại lỏng dễ chảy qua khe hở hàn, ảnh hưởng đến sự hình thành và kích thước mối hàn ở phía đối diện. Để ngăn ngừa hiện tượng này và sự chảy thủng cần phải dùng tấm đệm bằng grafit hay bằng Fe. c) Nhôm và hợp kim nhôm có hệ số giãn dài lớn mô đun đàn hồi nhỏ nên làm tăng biến dạng khi hàn do đó cần nghiên cứu đồ gá kẹp chặt để đảm bảo cho các chi tiết có thể biến dạng tự do khi hàn cũng như khi nguội. Chú ý: vật liệu chế tạo đồ gá lắp ghép có tính dẫn nhiệt thấp. d) Ở trạng thái lỏng, các khí (đặc biệt là N2, H2) hoà tan mạnh vào kim loại do tốc độ nguội của vũng hàn nhanh nên dễ gây nên hiện tượng rỗ xốp trong kim loại mối hàn. Khắc phục: Giảm tốc độ nguội vũng hàn xuống bằng cách nung nóng sơ bộ các chi tiết trước khi hàn lên nhiệt độ 150 – 200°C. e) Do nhôm và hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt cao nên yêu cầu nguồn nhiệt hàn phải có công suất và độ tập trung nhiệt cao. f) Tổ chức kim loại mối hàn có hình trụ và các cùng tinh dễ chảy phân bố ở vùng tinh giới nên khi hàn nhôm và hợp kim nhôm dễ gây nứt nóng. g) Khi hàn hợp kim nhôm, một số ôxit tạo thành không hoà tan vào kim loại lỏng sẽ nằm lại tại biên giới các hạt gây nên hiện tượng nứt sau khi hàn. Hình 5-16. Khuyết tật mạng xảy ra khi hàn hợp kim nhôm a. Nhôm nguyên chất; b, c, Hợp kim nhôm với các tạp chất tại biên giới hạt 5.6.2. Kỹ thuật hàn nhôm và hợp kim nhôm: Nhôm và hợp kim nhôm có thể hàn bằng nhiều phương pháp song dùng phổ biến là phương pháp hàn hồ quang tay và hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ vì đảm bảo nhận được mối hàn có chất lượng cao. 1) Hàn trong môi trường khí bảo vệ: + Hàn nhôm và hợp kim nhôm trong môi trường khí bảo vệ có thể thực hiện bằng điện cực nóng chảy hoặc không nóng chảy (thường điện cực W được hợp kim hoá bằng lantan, ytri). + Kim loại phụ chọn phụ thuộc vào kim loại cơ bản. Ví dụ: hàn Al kỹ thuật dùng dây hàn phụ AO, AK, AÄ… + Hàn hợp kim Al – Mg có thể dùng dây phụ nhãn hiệu như trên song cần tăng lượng Mg nên khoảng 1 – 1,5% để bù lại lượng mất mát trong qúa trình hàn. + Khí bảo vệ: dùng Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He. + Chuẩn bị chi tiết trước khi hàn phụ thuộc chiều dầy và phương pháp hàn. chi tiết có S £ 3 mm không vát mép và hàn một lớp. S = 4 – 6 mm có thể không vát mép nhưng phải hàn hai phía . S > 6 mm có thể vát mép chữ V hay X và tiến hành hàn nhiều lớp. Hình 5- 17. Chuản bị liên kết hàn khi hàn nhôm + Hàn có thể tiến hành bằng dòng điện xoay chiều hay một chiều cực nghịch, khi hàn bằng dòng xoay chiều phải chú ý khử thành phần một chiều ở bán chu kỳ mà chi tiết là katốt. + Chế độ hàn có thể lấy theo bảng. S (mm) Đường kính điện cực W (mm) Dây hàn phụ Cường độ dòng hàn Ih(A) Khí tiêu hao (L/ph) Ar He Ar He 1 - 2 2 1 - 2 50 - 70 30 – 40 15 (1,8-2) lần Ar 3- 4 3 2 - 3 100 -130 60 – 90 4 - 6 4 3 160 - 180 110 – 130 6 - 10 5 3 - 5 220 - 300 160 - 240 11 - 15 6 4 280 - 360 220 - 300 a. Hàn nhôm và hợp kim nhôm bằng phương pháp hàn TIG Từ các tính chất đặc biệt của nhôm và hợp kim nhôm, khi hàn cần phải lựa chọn quy trình hàn hợp lý. Lựa chọn que hàn có thành phần các nguyên tố hợp kim trội hơn kim loại cơ bản để bù lại lượng các nguyên tố bị thất thoát trong quá trình hàn. Công suất nhiệt đưa vào phải tuân thủ theo chỉ dẫn hàn. Sau khi hàn cần nhiệt luyện để nâng cao độ bền mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Việc nung nóng sơ bộ trước khi hàn chỉ tiến hành khi thật cần thiết, nếu không sẽ tạo lớp màng ôxit ở mép hàn và làm thay đổi tính chất vật liệu ở những hợp kim nhôm tôi cứng được. Chỉ số về nhiệt độ và thời gian nung nóng để hàn TIG một số vật liệu được cho trong bảng dưới đây : Vật liệu Chiều dầy tấm hàn (mm) Nhiệt độ hơ nóng trước tối đa (0C) Thời gian hơ nóng trước tối đa (phút) AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7 ³ 5 đến 12 (> 12) 180 200 220 250 60 30 20 10 AlZn4,5Mg1 ³ 5 đến 12 (> 12) 140 160 30 20 AlZn4,5Mn AlMg ³ 6 đến 12 (> 12) 150 - 200 10 + Lựa chọn khí bảo vệ, điện cực hàn và loại dòng điện Hàn nhôm và hợp kim nhôm sử dụng khí bảo vệ là Ar hoặc Ar + He. Nếu sử dụng He chỉ phù hợp hàn với dòng một chiều, công suất hồ quang và độ ngấu đạt được cao hơn. Thông thường sử dụng khí trộn Ar + He với việc điều chỉnh hàm lượng theo từng ứng dụng hàn cụ thể. Ảnh hưởng của hàm lượng He tăng khi dùng khí trộn Ar + He Hàm lượng He gia tăng Sự cháy của hồ quang ổn định hơn Chiều rộng mối hàn Tăng lên, chiều cao giảm Bề mặt mối hàn Vẩy mịn hơn, có màu xám (do Mg) Độ ngấu mối hàn Sâu hơn, rộng hơn Tốc độ hàn Có thể được tăng cao Xu hướng tạo khuyết tật Giảm Hơ nóng trước khi hàn Có thể được loại bỏ Gia nhiệt cho mối hàn Tốt hơn Giá thành khí bảo vệ Tăng lên Thành phần khí bảo vệ Biểu hiện qua quá trình hàn Điện cực dùng trong hàn nhôm và hợp kim nhôm là loại W và W-Zr. Đầu điện cực có hình bán cầu để có thể chịu được sự bắn phá của các điện tử mà không bị nóng chảy (tải nhiệt cao): Hình 5-18. Hình dạng đầu điện cực khi hàn nhôm Nguồn điện hàn nhôm và hợp kim nhôm là nguồn xoay chiều, ở thời điểm điện cực là cực dương, dưới tác động làm sạch cơ điện tử sẽ phá lớp màng ôxít trên bề mặt vũng hàn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hàn. Hình 5- 19. Phá huỷ lớp nhôm ôxít trong hàn TIG nhôm + Ảnh hưởng của nguồn điện hàn đến hình dạng mối hàn khi hàn nhôm và hợp kim nhôm Hình 5-20. Ảnh hưởng của dòng điện hàn đến hình dạng mối hàn khi hàn nhôm Khi tăng trị số cường độ dòng điện hàn sẽ làm tăng lượng nhiệt bể hàn, mức độ bắn phá màng ôxit mạnh hơn sẽ làm tăng chiều sâu chảy của mối hàn Bảng chế độ hàn TIG nhôm, hàn tay – nguồn điện AC tần số cao Chiều dầy tấm hàn Dạng liên kết hàn Đường kính điện cực (inch) Đường kính que hàn (inch) Cường độ dòng điện hàn Khí bảo vệ Loại khí Lưu lượng (CFH) 1/16” giáp mối chữ I chồng góc ngoài góc trong 1/16” 1/16” 1/16” 1/16” 1/16” 1/16” 1/16” 1/16” 60-85 70-90 60-85 75-100 Ar Ar Ar Ar 15 (7.l/min) 15 15 15 1/8” giáp mối chữ I chồng góc ngoài góc trong 3/32”-1/8” 3/32”-1/8” 3/32”-1/8” 3/32”-1/8” 3/32” 3/32” 3/32” 3/32” 125-150 130-160 120-140 130-160 Ar Ar Ar Ar 20 (10.l/min) 20 20 20 3/16” giáp mối chữ I chồng góc ngoài góc trong 1/8”-5/32” 1/8”-5/32” 1/8”-5/32” 1/8”-5/32” 1/8” 1/8” 1/8” 1/8” 180-225 190-240 180-225 190-240 Ar Ar Ar Ar 20 20 20 20 1/4" giáp mối chữ I chồng góc ngoài góc trong 5/32”-3/16” 5/32”-3/16” 5/32”-3/16” 5/32”-3/16” 3/16” 3/16” 3/16” 3/16” 240-280 250-320 240-280 250-320 Ar Ar Ar Ar 25 (12.l/min) 25 25 25 Ghi chú : 1. l/min = 1 CFH ´ 0,472195 b. Hàn bằng điện cực nóng chẩy: + Chuẩn bị liên kết phụ thuộc S chi tiết có thể vát mép hay không vát, vát chữ V hay chữ X với a = 70 ¸ 900 . + Dòng điện hàn: một chiều cực ngịch. + Chế độ hàn nhôm kỹ thuật và hợp kim nhôm chọn theo bảng trong trong sổ tay sau Chiều dầy chi tiết (mm) Dạng liên kết hàn Số lớp Đường kính dây (mm) Lớp thứ nhất Các lớp sau Khí tiêu hao (l/ph) Ih(A) Uh (V) Vh (m/h) Ih(A) Uh (V) Vh (m/h) 10 - 2 2 250-300 22¸24 20¸25 370¸390 28¸30 20 Ar : 15¸20 15 chữ V 4 2 250-300 24¸26 20¸25 370¸390 28¸30 20 25 chữ V 8 2,5 400-440 26¸28 40¸45 400¸440 27¸29 15¸20 40 chữ X 20 2 280 25¸27 35 370¸390 27¸29 27 50 chữ X 15 2,5 400 24¸26 16 420¸440 26¸28 23 2) Hàn tự động dưới lớp thuốc. Hàn tự động dưới lớp thuốc, thuốc hàn nóng chảy ( ở trạng thái lỏng ) có tính dẫn điện cao, nên xẩy ra hiện tượng phân rẽ dòng điện hàn mạnh làm cho quá trình hàn Al và hợp kim Al bằng điện cực nóng chảy không ổn định. - Hàn dưới lớp thuốc hồ quang cháy ngầm dưới lớp thuốc nên khí khó thoát ra khỏi vùng hàn do đó dễ gây nên hiện tượng rỗ khí. - Khi hàn chi tiết có S = 4 ¸ 25mm chế độ hàn chọn theo bảng sau: S (mm) d (mm) J (A/mm2) Uh (V) V (m/h) 4 1 130 - 140 27 - 30 24 - 26 8 1,5 100 - 120 29 - 32 20 - 22 12 2 100 - 110 37 - 37 18 - 19 15 2,5 74 - 90 38 - 40 16 - 17 20 3 70 - 75 39 - 41 14 - 15 25 3,5 - 4 30 - 40 40 - 42 12 - 18 + Xác định cường độ dòng điện hàn có thể dùng công thức sau (A) S : Chiều dầy chi tiết (mm) Ih : Cường độ dòng hàn. Vd : Tốc độ dịch chuyển dây. G : Khối lượng tiết diện dây (g) + Chi tiết có chiều dầy S = 50 – 200mm, có thể hàn xỉ điện bằng điện cực tấm thuốc hàn dùng trong trường hợp này phổ biến là AH - A301 hay AH – A302. 3) Hàn hồ quang tay bằng que hàn có thuốc bọc + Chuẩn bị liên kểt trước khi hàn phụ thuộc chiều dầy, S < 8mm không cần vát mép, mối hàn được hoàn thành sau một lớp hàn. + S ³ 8mm vát mép chữ V hay chữ X mối hàn hoàn thành sau hai hay nhiều lớp hàn. + Hàn thực hiện bằng dòng một chiều cực nghịch, với d = (4 ¸ 8)mm, Ih= (45 ¸ 55)d. + Lõi que hàn có thể là nhôm kỹ thuật, hợp kim nhôm tuỳ thuộc vào kim loại cơ bản, phải đảm bảo giống hoặc gần giống kim loại cơ bản. - Lõi que hợp kim Al – Mg thì phải tăng hàm lượng Mg nên (1,5 ¸ 2% ). - Thuốc bọc que hàn có các thành phần chủ yếu: muối Clorua và Florua, Criolit. - Nung nóng sơ bộ chi tiết trước khi hàn nên nhiệt độ thích hợp phụ thuộc chiều dầy chi tiết S = (5 ¸ 6) mm thì Tn £ 1000C ; S = (8 ¸ 10) mm, Tn = 160 – 200oC; S > 10mm nung nên nhiệt độ cao hơn; S < 4mm có thể không cần nung nóng. * Hàn hợp kim nhôm- magiê Thường hàn bằng các phương pháp chủ yếu sau: + Hàn hồ quang bằng điện cực W trong môi trường khí bảo vệ ( có thể không cần dùng thuốc hàn ). * Trong tất cả các phương pháp hàn có thể sử dụng, thực tế cho thấy hàn bằng điện cực W trong môi trường khí trơ bảo vệ nhận được mối hàn có chất lượng cao nhất. - Dòng hàn có thể hàn bằng dòng một chiều cực nghịch hay bằng dòng điện xoay chiều song hàn bằng dòng xoay chiều tốt hơn. - Chế độ hàn khi hàn chi tiết có S £ 3 mm bằng hồ quang tay: Đường kính điện cực : dw = 2 – 3 mm Đường kính dây hàn phụ: d = 1 – 3 mm Cường độ dòng điện hàn : Ih = (30 - 40)dw Khí tiêu hao : 7 – 9 l/ phút - Hàn tự động hoặc bán tự động các chi tiết có S ³ 1mm. Đường kính điện cực W: dw = 2 – 6 mm. Đường kính dây hàn phụ: d = 1,5 – 3 mm. Cường độ dòng điện hàn: Ih = (45 – 75)d (A). Lượng khí tiêu hao: (6 – 10) lít/phút. - Quá trình hàn cần giữ hồ quang ngắn (Lhq = 1,5 mm). Vì hồ quang ngắn tác dụng khử ôxit trên mép hàn tốt còn làm tăng hiệu quả bảo vệ vũng hàn. - Khi hàn hợp kim Mg độ bền mối hàn thường thấp hơn kim loại cơ bản. Ví dụ hàn trong môi trường khí Ar chỉ đạt 80 ¸ 90%, hàn bằng điện cực than hay điện cực nóng chảy đạt 70 ¸ 80 %, hàn khí đạt 60 ¸ 70%. 4) Hàn bằng ngọn lửa hàn khí Chi tiết trước khi hàn phải làm sạch ôxit nhôm một khoảng (30 ¸ 50)mm về mỗi phía. Chi tiết có chiều dầy S 4mm vát mép chữ V, X,… Dùng ngọn lửa bình thường để hàn, công suất ngọn lửa chọn như sau : W = 150.S (l/h). Số hiệu mỏ hàn chọn lớn hơn hàn thép một đến hai số, que hàn có thành phần tương tự như vật hàn (với 5%Si). Hàn khí nhất thiết phải dùng thuốc hàn, có thể sử dụng thuốc hàn có thành phần % như sau: - Floruakali (KF)…………… 34. - Clorualiti (LiCl)……………66. Hay: - Clorualiti (LiCl)…………40. - Floruacanxi ( CaF2)……… 20. - Cloruanatri (NaCl)…………40 Hàn nhôm nguyên chất tốt nhất dùng thuốc hàn có thành phần : 28%NaCl + 50%KCl + 14% LiCl + 8%NaF Hàn hợp kim nhôm-magiê dùng thuốc hàn có thành phần: 33,3%BaF2 + 24,8%MgF2 + 19,5%LiF + 14,8%KF + 4,8%Na3AlF6 + 2,8%MgO. + Thuốc hàn có tác dụng ăn mòn hợp kim Mg cho nên sau khi hàn xong phải rửa sạch thuốc còn thừa bằng nước nóng. + Để đề phòng kim loại lỏng chẩy qua khe hở hàn ảnh hưởng xấu tới sự hình thành và kích thước mối hàn ở phía đối diện ( khi hàn một phía các liên kết có vát mép hay không vát mép ) thì tiến hành hàn trên tấm đệm (thường bằng thép hợp kim cao. + Bảng dưới đây chỉ rõ thành phần kim loại que hàn thích hợp khi hàn các vật liệu nhôm và hợp kim nhôm với nhau (tiêu chuẩn DIN 1732). Vật hàn A Al99,9 Al99,8 Al99,7 Al99,8 Al99,5 Al99 Al99,5 Al99,5Ti Al99,5 Al99,5Ti AlMn Al99,5Ti AlMn Al99,5Ti AlMn AlMn AlSi5 AlMg1 AlMg2Mn0,3 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg3 AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg2Mn0,8 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg3 AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg3 AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7 AlSi5 AlSi5 AlSi5 AlMg3 AlMg5 AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlSi5 AlMg3 AlMg5 AlZn4,5Mn1 AlSi5 AlSi5 AlSi5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg4,5Mn AlSi5 AlMg5 AlMg4,5Mn AlMg5 Vật hàn B Al99,9 Al99,8 Al99,7 Al99,5 Al99 AlMn AlMg1 AlMg2 AlMg3 AlMg4,5Mn AlMg5 AlMg2Mn0,8 AlMgSi0,5 AlMgSi1 AlMgSi0,7 AlZn4,5Mg1