CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu thép ASTM A36 1. Ký hiệu tương đương Tiêu chuẩn Châu Âu: thép S235 , S235JR (EN 10025) Tiêu chuẩn Đức: thép RSt 37 (DIN 1700) Tiêu chuẩn Trung Quốc: thép Q235 (GB/T 700) Tiêu chuẩn Nhật Bản: thép SS440 (JIS G3101) Tiêu chuẩn Việt Nam: thép CT38 1.Thành phần hóa học Bảng 1. Thành phần hóa học (%) của thép ASTM A36 [11] C Si Mn P S Cu Cr Ni Mo Al Nb V Ti 0.2: Cơ tính của thép ASTM A36 [11] Giới hạn chảy Độ bền kéo Độ dãn dài (N/mm2) (N/mm2) (%) ≥ 355 400÷630 ≥ 21 1.
Tính hàn [12] Tính hàn của vật liệu là tính chất đảm bảo dễ dàng hoàn thành một mối hàn đạt yêu cầu chung và có thể được xác định từ chất lượng của mối hàn, công sức và chi phí cần thiết cho việc thực hiện mối hàn. Chất lượng của mối hàn được xác định bởi các chỉ tiêu để đảm bảo đầy đủ các yêu cầu khai thác. Các đặc trưng quyết định đến chất lượng của mối hàn kim loại bao gồm xu hướng nứt, hóa cứng và hóa mềm trong vùng ảnh hưởng nhiệt, quá trình ô-xy hóa, bốc hơi, biến đổi cấu trúc và được xác định bởi các tính chất của kim loại trong sự liên quan đến điểm nóng chảy, hệ số giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt và điện, khuyết tật vốn có trong kim loại cơ bản và điều kiện bề mặt. Như vậy, thép có tính hàn tốt thì tại các bộ phận hàn không bị tăng tính biến cứng, khả năng biến dạng và độ dai va đập vẫn đảm bảo, kể cả ở vùng ảnh hưởng nhiệt (ngay sát mối hàn).
4 Luan van Thành phần hóa học của thép là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính hàn. - Carbon (C) là nguyên tố quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép. Sự thay đổi hàm lượng carbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập. Hàm lượng carbon tăng sẽ làm tăng tính biến cứng của thép khi chịu tác dụng nhiệt.
- Silic (Si): Khi hàm lượng < 0,3% không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép nhưng khi hàm lượng Si > 0,3% sẽ gây khó khăn cho quá trình hàn vì tạo nên các loại ô-xit khó chảy và tăng tính chảy loãng. - Crôm (Cr): Ảnh hưởng xấu đến tính hàn của thép vì nó làm tăng sự ô-xy hóa kim loại và kết hợp với carbon tạo thành cac-bit (hợp chất hóa học), nâng cao độ cứng kim loại ở vùng chuyển tiếp từ mối hàn đến kim loại cơ bản. Tuy nhiên, nếu chọn được chế độ hàn, vật liệu hàn và quy trình công nghệ hàn hợp lý thì có thể hạn chế ảnh hưởng xấu của nó đến tính hàn. - Niken (Ni): Có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại và nâng cao tính dẻo của thép, ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép.
- Molipden (Mo): Gây nhiều khó khăn cho quá trình hàn như làm tăng khả năng nứt ngầm trong mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, dễ bị ô-xy hóa và cháy mạnh trong quá trình hàn. - Vonfram (W): Làm tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt nhưng W làm cho tính hàn kém đi vì nó thường bị ô-xy hóa mạnh nên cần bảo vệ thật tốt trong quá trình hàn. - Vanadi (V) có ảnh hượng tương tự như Vonfram. - Titan (Ti) và Niobi (Nb): Chỉ tồn tại trong thép một lượng rất nhỏ (< 1%) nên không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép.
- Đồng (Cu): Với hàm lượng nhỏ (0,3 - 0,8%) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ dai va đập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép. - Lưu huỳnh (S): Thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng, còn phốt-pho (P) thường gây hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại. Khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép, chúng có ảnh hưởng xấu đến tính hàn.
- Ô-xy (O 2 ) trong thép thường ở dạng ô-xit làm giảm cơ tính và làm giảm tính hàn của thép. 5 Luan van - Nitơ (N 2 ) trong thép tạo hợp chất hóa học (nitrit sắt) rất cứng, giòn, làm giảm tính dẻo và gây khó khăn cho quá trình hàn. - Hydro (H 2 ) là tạp chất có hại, sinh khí trong vũng hàn, gây nứt tế vi trong mối hàn và gây khó khăn cho quá trình hàn. Để đánh giá tính hàn, trên cơ sở ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học của thép, thường dùng chỉ tiêu hàm lượng carbon tương đương (ký hiệu CE % - Cabron Equivalent).
Đây là chỉ số thể hiện ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính hàn với giả định là các nguyên tố hợp kim sẽ tác động tương tự như tác động của sự gia tăng hàm lượng carbon trong thép. Hàm lượng carbon tương đương là một chỉ số quan trọng đánh giá độ nhạy của vết nứt hàn. Thép có hàm lượng carbon cao thì tính hàn thấp, dễ xuất hiện các vết nứt khi hàn nên cần phải nung sơ bộ trước khi hàn để hạn chế các vết nứt. Hàm lượng carbon tương đương theo Viện Hàn quốc tế (International Institute of Welding) được tính như sau: Trong đó: C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu - Hàm lượng (%) của Carbon, Mangan, Crôm, Molypden, Vanadi, Niken, Đồng trong thép.
CE IIW biểu thị khả năng biến cứng của các loại thép thông dụng nên đây là công thức tính hàm lượng carbon tương đương phổ biến nhất hiện nay. Tuy nhiên, công thức CE IIW chưa xét đến ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim tương đối phổ biến trong thép, tuy có hàm lượng nhỏ nhưng lại có ảnh hưởng lớn đến tính chất của thép, như Nb, B, N. Công thức CE IIW thích hợp để đánh giá tính hàn của thép carbon và thép carbon nâng cao mangan. Có thể phân loại tính hàn theo hàm lượng CE IIW như Bảng 1.3: Phân loại tính hàn theo hàm lượng carbon tương đương CE IIW [13] Hàm lượng cacbon tương đương (CE) Tính hàn của thép đến 0,35 đặc biệt tốt 0,36 – 0,40 rất tốt 0,41 – 0,45 tốt 0,46 – 0,50 trung bình trên 0,51 kém 6 Luan van Tiêu chuẩn châu Âu (EN) và tiêu chuẩn Mỹ (ASTM) quy định hàm lượng carbon tương đương được tính tương tự như công thức của Viện hàn thế giới: Bảng 1.4: Kết quả tính toán hàm lượng carbon tương đương theo giá trị thành phần hóa học (%) tối đa trong tiêu chuẩn về thành phần hóa học của thép và giá trị hàm lượng carbon tương đương (CEV) theo ASTM A36 [14] C Si Mn P S Cu CE CEV 0,25 0,4 1,2 0,04 0,05 0,2 0,4633 0,45 Từ kết quả trên ta thấy CEV của thép ASTM A36 CEV=0,45 Vậy tính hàn của thép ASTM A36 là tốt (Dễ hàn).
Phạm vi ứng dụng - Thép tấm tiêu chuẩn ASTM A36 trong thành phần thép có chứa hàm lượng carbon tương đối thấp, độ bền kéo cao dễ gia công uốn và hàn. Nên thép tấm A36 thường được dùng trong lĩnh vực: đóng tàu cá, tàu biển, xà lan, gia công uốn thép ống, thép hộp, thép hình hoặc gia công uốn bồn bể chứa hóa chất và xăng dầu… - Thép tấm ASTM A36 có thể được sử dụng cho một loạt các ứng dụng tùy thuộc vào độ dày và khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Thép tấm A36 được ứng dụng trong xây dựng công trình nhà xưởng, nhà tiền chế, nhà kho, công trình công nghiệp, thương mại, giao thông vận tải, tủ đựng, thùng, loa… 1. Công nghệ hàn hồ quang dây hàn có lõi thuốc (FCAW) 1.
Nguyên lý, đặc điểm và phân loại a) Nguyên lý của hàn hồ quang dây hàn có lõi thuốc Hàn hồ quang dây hàn có lõi thuốc (FCAW) là một biến thể của quá trình hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trưởng khí bảo vệ (GMAW);trong đó điện cực nóng chảy là dây lõi thuốc có đường kính từ 0,8-3,9 mm; lõi thuốc hàn có các chức năng tương tự như vỏ bọc que hàn: Trong quá trình hàn, thuốc hàn nóng chảy tạo ra lớp xỉ mỏng và khí bảo vệ giọt kim loại và vũng hàn; cung cấp các nguyên tố tạo xỉ khử ô xít, ngăn chặn các phản ứng có hại, làm mịn hạt, chống nứt nóng và nứt nguội; ổn định hồ quang khi hàn, cung cấp các nguyên tố hợp kim để đáp ứng các yêu cầu riêng về tính chất cơ lý của kim loại mối hàn [15]. b) Đặc điểm của hàn hồ quang bằng điện cực lõi thuốc [15] Hàn bằng điện cực lõi thuốc khắc phục được những nhược điểm vốn có của hàn hồ quang tay như thời gian có hồ quang thấp, tốc độ đắp thấp, tổn thất đầu mẩu que 7 Luan van hàn, các yếu tố liên quan đến kỹ năng và sự mệt mỏi của thợ hàn. Thiết bị hàn cho phép tự động cấp và điều khiển điện cực (dây hàn) một cách tự động để thợ hàn có thể tập trung vào chuyển động của hồ quang một cách dễ dàng. So với điện cực dạng dây hàn được dùng trong hàn trong môi trường khí bảo vệ, điện cực lõi thuốc có một số ưu điểm như mức độ bắn tóe thấp, hình dạng bề mặt mối hàn được cải thiện đáng kể (do có các chất ổn định hóa hồ quang và tạo xỉ trong thành phần thuốc hàn).
Ngoài ra, kim loại mối hàn ít bị rỗ khí và cho kết quả kiểm tra bằng chiếu tia X một cách nhất quán hơn nhiều. Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ cũng thấp hơn nhiều (8 - 12 lít/phút so với 17 lít/phút khi hàn trong môi trường CO 2 bằng dây hàn đặc biệt). Một ưu điểm nữa của điện cực lõi thuốc là các nhà chế tạo điện cực không phụ thuộc nhiều vào nhà máy sản xuất thép như với điện cực đặc, đặc biệt khi khối lượng đơn hàng lớn. Vì điện cực lõi thuốc sử dụng vật liệu thép tiêu chuẩn và điều chỉnh thành phần hóa học thông qua đơn thuốc thích hợp của lõi, nhà chế tạo điện cực có thể cung ứng theo các đơn hàng nhỏ trong một thời gian ngắn.
Thuận lợi khác nữa là có khả năng chế tạo các dây hàn đắp có tính chất đặc biệt. c) Phân loại Hàn bằng điện cực lõi thuốc có thể phân loại theo hai phương pháp: hàn hồ quang điện cực lõi thuốc có sử dụng khí bảo vệ và hàn hồ quang điện cực lõi thuốc không sử dụng khí bảo vệ [15]. - Hàn hồ quang điện cực lõi thuốc có sử dụng khí bảo vệ: ưu điểm tiêu thụ ít khí bảo vệ hơn so với hàn bằng dây đặc. Năng xuất lao động cao phù hợp với các mối hàn dày mối hàn tốt và ít lỗi hơn so với hàn que và hàn MIG/MAG [15].