CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Mối hàn Hàn là một phương pháp công nghệ nhằm liên kết một hay nhiều chi tiết lại với nhau dưới dạng mối ghép không tháo gỡ được, bằng cách sử dụng nguồn nhiệt nung nóng chi tiết đến trạng thái dẻo hoặc nóng chảy, khi kim loại nóng chảy đông đặc lại hoặc dưới tác dụng của một ngoại lực sẽ hình thành mối liên kết gọi là mối hàn. Phân loại mối hàn phụ thuộc vào dạng mối ghép và mối hàn đó thuộc mối hàn ngấu hoàn toàn (Complete Joint Penetration - CJP) hay ngấu một phần (Partial Joint Penetration - PJP). Tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1 [15] chia các loại mối hàn thành các dạng sau: Bảng 1.1: Phân loại mối hàn Mối hàn Mối hàn góc Mối hàn Mối hàn Mối hàn Mối hàn phức giáp mối bẻ gờ nút điểm hợp (Compound) 5 Để làm rõ sự quan hệ giữa mối hàn và loại mối ghép ta có thể tham khảo bảng sau: Bảng 1.2: Mối quan hệ giữa mối hàn và mối ghép [15] Loại mối ghép Loại mối hàn (Weld types) (Joint types) Giáp mối Góc Nút Điểm Bẻ gờ (Butt) (Fillet) (Flug) (Spot) (Edge) Giáp mối (Butt) X X Chữ T (Tee) X X Góc ngoài (Corner) X X Chồng mí (Lap) X X X Bẻ gờ (Edge) X Trong các phương pháp hàn hồ quang làm kim loại đến trạng thái nóng chảy, hồ quang hàn sẽ làm nóng chảy kim loại cơ bản, kim loại điền đầy và thuốc bảo vệ vũng hàn. Vì vậy kim loại mối hàn, kim loại cơ bản sẽ trải qua hàng loạt các phản ứng hóa học gây trước khi mối hàn được hình thành.
Các thay đổi này gây ra hàng loạt thay đổi tế vi và hình dáng của mối ghép hàn khi đông đặc, có những sự thay đổi là lợi cho nối ghép hàn nhưng cũng có những thay đổi làm giảm khả năng làm việc của mối hàn khi sử dụng.1: Khuyết tật trên bề mặt và trong mối hàn Các thay đổi không mong muốn làm giảm khả năng làm việc của mối hàn được gọi là khuyết tật hàn, các khuyết tật này có thể là sự thay đổi gây ra sự bất liên tục trong mối hàn như: ngậm xỉ, không ngấu, thiếu ngấu, rỗ khí, nứt, cháy chân,. hoặc có thể là khuyết tật làm thay đổi hình dạng ngoại quang của mối ghép hàn như: mối 6 hàn bị lệch cạnh, sự không đồng phảng của mối ghép, chảy tràn, cháy thủng,. Những khuyết tật này có thể được nhìn thấy trực tiếp bằng mắt nhưng cũng có những khuyết tật không thể nhìn thấy trực tiếp bằng mắt.2 Khuyết tật hàn Khuyết tật hàn là những sai lệch về hình dạng, kích thước và tổ chức kim loại của kết cấu hàn so với tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu kỹ thuật, làm giảm độ bền và khả năng làm việc của nó. Khuyết tật hàn được phân loại và mô tả như sau đây: 1.1 Ngậm xỉ (Solid Inclusions) Ngậm xỉ là hiện tượng các chất rắn bên ngoài (không phải là kim loại mối hàn) bị kẹt trong kim loại mối hàn, đây là loại khuyết tật rất dễ xuất hiện trong mối hàn.
Xỉ hàn có thể hình thành từ thuốc bọc que hàn, thuốc hàn, các oxit hoặc các hỗn hợp kim loại khác trong quá trình hàn, vì lí do nào đó chúng không thoát ra khỏi bễ hàn khi kim loại mối hàn đông đặc, chúng bị kẹt lại trong kim loại mối hàn, các xỉ hàn này có thể nằm bên trong mối hàn hình 1.2 hoặc nằm trên bề mặt mối hàn xem hình 1.2: Ngậm 1: Ngậm xỉ xỉ bênbên trong trong đường đường hàn hàn Hình 1.3: Ngậm xỉ bên trên đường hàn Mối hàn có thể bị ngậm xỉ thành một rãnh dài còn gọi là ngậm xỉ dạng đường hình 1.3, xỉ cũng có thể tập trung thành các đoạn ngắn hay các lỗ chứa xỉ hình 1.2, các lỗ và các đoạn xỉ này có thể tập trung hay phân bố trong đường hàn. Tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1 [15] đã tiến hành phân loại các khuyết tât ngậm xỉ thành các dạng sau: 7 Hình 1.4: Sơ đồ phân loại các khuyết tật ngậm xỉ [15] Trong thực tế, các khuyết tật ngậm xỉ thường xuất hiện ở các vị trí bên trên bề mặt (hình 1.5a) và bên trong mối hàn (hình 1. a) Bên trên mối hàn b) Bên trong mối hàn Hình 1.5: Vị trí xuất hiện của các khuyết tật ngậm xỉ Các phương pháp hàn phổ biến hiện nay có thể dẫn đến khuyết tật ngậm xỉ như: - 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. 8 - Phương pháp hàn GMAW: có thể gây ra khuyết tật ngậm ôxít, đồng, các kim loại khác.1 Ngậm xỉ từ thuốc hàn nóng chảy Ngậm xỉ từ thuốc hàn nóng chảy là hiện tượng xỉ hàn từ thuốc bảo vệ vũng hàn nóng chảy bị kẹt lại trong mối hàn khi kim loại mối hàn đông đặc lại. Thuốc bảo vệ có thể là thuốc bọc que hàn, thuốc từ phương pháp hàn SAW hoặc có thể là thuốc từ dây hàn FCAW. Khuyết tật này được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng một vùng hay một điểm màu đen, khi kiểm tra bằng siêu âm xung báo có hình cột với biên dạng xung bị gãy, gồ ghề như khuyết tật nứt hoặc thiếu ngấu.6: Ngậm xỉ từ thuốc hàn nóng chảy trên phim chụp ảnh bức xạ [7] 1.2 Ngậm xỉ từ thuốc hàn chưa nóng chảy Là hiện tượng thuốc hàn bị kẹt lại trong hốc kim loại mối hàn khi kim loại mối hàn đông đặc, xỉ hàn dạng này có thể là thuốc hàn trong hàn SAW hoặc thuốc từ dây hàn lõi thuốc hoặc chưa nóng chảy.
Khuyết tật dạng này được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng một vệt đen, phương pháp siêu âm cũng cho gai xung tương tự như khuyết tật ngậm xỉ từ que hàn thuốc bọc.7: Ngậm xỉ từ thuốc hàn chưa nóng chảy 9 1.3 Ngậm xỉ từ các ôxít Hiện tượng này xảy ra khi các oxit kim loại bị kẹt lại trong hốc kim loại mối hàn khi đông đặc, một dạng khuyết tật phổ biến nhất của dạng này thường được bắt gặp trong hàn GTAW nhôm, phần nhôm bị oxi hóa không kịp thoát ra khỏi vũng chảy sẽ tạo nên khuyết tật dạng này theo dạng nếp nhăn (puckering) và được nhìn thấy trên phim ảnh bức xạ bằng một vùng tối (hình 1. Đối với kỹ thuật siêu âm thì khuyết tật này được phát hiện như ngậm xỉ nhưng biên dạng không tròn đều và sóng có nhiều gai.8: Ngậm xỉ từ các ôxít trên phim ảnh bức xạ [7] 1.4 Ngậm xỉ từ Tungsten Hiện tượng các hạt tungsten từ điện cực hàn bị nhúng chạm vào vũng kim loại nóng chảy. Khuyết tật này chỉ xuất hiện trong phương pháp hàn GTAW, khuyết tật sẽ được nhận thấy bằng một điểm sáng trên phim chụp ảnh bức xạ, do Tungsten hấp thụ ánh sáng tốt hơn kim loại cơ bản (hình 1. Siêu âm phát hiện tương tự như khuyết tật ngậm xỉ.9: Ngậm xỉ từ Tungsten trên phim chụp ảnh bức xạ [7] 10 1.5 Ngậm xỉ từ đồng Xảy ra khi các hạt nhỏ đồng bị kẹt lại trong mối hàn, các hạt đồng này có thể từ ống tiếp điện (contactip) của súng hàn chạm vào vũng hàn đang nóng chảy hoặc một lượng nhỏ đồng trên lớp tráng dây điện cực bị kẹt lại trong vũng hàn khi đông đặc.
Dạng khuyết tật này thường gặp phải khi hàn MIG, MAG hay SAW, khuyết tật này được nhìn thấy bằng một điểm sáng trên phim chụp ảnh bức xạ và tương tự như khuyết tật Tungsten inclusion, chỉ khác là biên độ điểm sáng không thẳng đều như khuyết tật ngậm xỉ từ Tungsten (hình 1.10: Ngậm xỉ từ đồng trên phim chụp ảnh bức xạ [7] 1.6 Ngậm xỉ từ các kim loại khác Là hiện tượng các kim loại khác không thuộc kim loại cơ bản, kim loại đắp hay một oxit kim loại từ bên ngoài lẫn vào vũng hàn và bị kẹt lại. Khuyết tật dạng này thường xuất hiện hầu hết ở các phương pháp hàn và việc phân biệt chúng cũng là một vấn đề khó khăn. Vì vậy việc khắc phục cũng phụ thuộc và từng trường hợp cụ thể. Khuyết tật ngậm xỉ ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ dai va đập và tính dẻo của kim loại mối hàn, giảm tuổi thọ và khả năng làm việc của kết cấu.
Tuy nhiên, theo một số tiêu chuẩn thì khuyết tật này có thể được chấp nhận tồn tại trong mối hàn nếu chúng được chứng minh là không gây ảnh hưởng đến kết cấu khi đưa vào sử dụng.2 Thiếu ngấu (Lack of Fusion) Mối hàn thiếu ngấu là hiện tượng kim loại mối hàn và kim loại cơ bản (basic metal) hoặc giữa các kim loại mối hàn ở các lớp không liên kết lại với nhau. Đây là 11 loại khuyết tật nghiêm trọng trong liên kết hàn. Ngoài ảnh hưởng không tốt như rỗ khí và ngậm xỉ, nó còn là nguyên nhân chính dẫn đến các vết nứt gây phá hủy liên kết khi làm việc. Theo tiêu chuẩn BS EN ISO 6520-1[15] phân chia các khuyết tật thiếu ngấu thành các dạng sau: Hình 1.11: Phân loại khuyết tật thiếu ngấu [15] 1.1 Thiếu ngấu cạnh Hiện tượng kim loại mối hàn thiếu liên kết với cạnh mép vát kim loại cơ bản.
Khuyết tật này có thể được nhìn thấy trực tiếp (trên mối hàn) bằng mắt hoặc không nhìn thấy trực tiếp được bằng mắt (trong mối hàn). Khuyết tật được phát hiện trên phim ảnh bức xạ bằng vùng màu đen thẳng liên tục hoặc đứt đoạn ở hai bên mép vát mối hàn. Kỹ thuật siêu âm màu sẽ cho thấy khuyết tật nằm bên cạnh mép vát, với một mặt là đường thẳng đều, mặt bên cho biên dạng không đều. a) Vị trí thường xuất hiện khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim ảnh bức xạ Hình 1.12: Khuyết tật thiếu ngấu cạnh [7] 1.2 Thiếu ngấu giữa các lớp Hiện tượng kim loại mối hàn giữa lớp hàn trước không liên kết với kim loại mối hàn ở lớp hàn sau trong mối hàn nhiều lớp, chiều cao rãnh thiếu ngấu quá lớn 12 cũng dễ dẫn đến hiện tượng bẫy xỉ trong rãnh thiếu ngấu và tạo nên khuyết tật ngậm xỉ và không thấu (hình 1.
Khuyết tật này rất dễ phát hiện bằng đầu dò siêu âm sóng thẳng với gai sóng tương tự khuyết tật thiếu ngấu cạnh với đường biên dạng thẳng. a) Vị trí khuyết tật b) Phát hiện khuyết tật bằng phim chụp ảnh bức xạ Hình 1.13: Khuyết tật thiếu ngấu giữa các lớp [7] 1.