ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công nghiệp hóa chất các dây chuyền sản xuất hoạt động liên tục trong các điều kiện công nghệ khắc nghiệt đƣợc khống chế rất nghiêm ngặt và một môi trƣờng hóa chất gây nên han gỉ, hƣ hỏng cho các thiết bị, máy móc. Theo số liệu thống kê mới nhất, trong các nhà máy hóa chất chi phí dành cho bảo vệ chống ăn mòn chiếm 70 - 80% chi phí sửa chữa và dịch vụ sửa chữa trong năm. Do vậy, ngƣời ta ngày càng chú ý hơn đến việc bảo vệ chống ăn mòn thiết bị công nghệ để đảm bảo hoạt động sản xuất liên tục, không bị gián đoạn. Một trong các kỹ thuật bảo vệ chống ăn mòn là lựa chọn loại vật liệu chế tạo nên kết cấu, máy móc có khả năng làm chậm quá trình ăn mòn.
Thép không gỉ, thép hợp kim cao chịu ăn mòn trên cơ sở thép crôm – niken có giá thành cao, là một trong những vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp hóa chất để chế tạo các thiết bị, máy móc sản xuất hóa chất. Tuy vậy, ngƣời ta không thể sử dụng thép hợp kim để chế tạo hoàn toàn một kết cấu máy vì lý do kinh tế, mà chỉ sử dụng chúng cho từng vị trí công nghệ có yêu cầu cao về nhiệt và chống mòn. Từ đây, vấn đề sử dụng các kết cấu đƣợc hình thành từ hai loại vật liệu là thép cacbon và thép không gỉ đã đƣợc đặt ra. Để đáp ứng điều này, các nhà chế tạo máy đã đƣa ra giải pháp là sử dụng đồng thời thép hợp kim (thép không gỉ) và thép cacbon trong một kết cấu bằng kỹ thuật hàn.
Đây là một vấn đề khó khăn vì trong thực tế, để xây dựng một qui trình hàn thép không gỉ - thép cacbon là không đơn giản vì chúng không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật mà còn phụ thuộc vào tay nghề của ngƣời thợ. Ngoài ra, việc cải thiện năng suất hàn mà vẫn đảm bảo chất lƣợng mối hàn cũng nhƣ không có khuyết tật hàn là một vấn đề đặt ra trong thực tế. Tring thực tế sản xuất, năng suất hàn phụ thuộc vào rất nhiều thông số nhƣ chế độ hàn, vật liệu hàn, tốc độ hàn, trang bị gá kẹp và tay nghề thợ hàn. Đây là các nội dung chính đƣợc quan tâm đề 9 cập đến trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề đề xuất đƣợc một qui trình công nghệ chế tạo hàn đạt năng suất hàn là cao nhất.
Tính cấp thiết của đề tài Việc tham gia của các kim loại khác nhau trong cùng một kết cấu nói chung là một thách thức lớn về công nghệ vì sự khác biệt trong các tính chất lý tính, cơ tính và phƣơng pháp luyện kim của các kim loại cơ bản. Đây chính là vấn đề khó khăn khi sử dụng hai kim loại khác nhau (ở đây là thép cacbon và thép không gỉ) để chế tạo các kết cấu cơ khí bằng phƣơng pháp hàn. Hình 1: Sản xuất hệ vỏ & ống trao đổi nhiệt sử dụng hai vật liệu Sự tham gia của kim loại khác nhau đã mang đến một tiềm năng sử dụng những lợi thế của vật liệu khác nhau để chế tạo ra các kết cấu cơ khí ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoá chất, nhà máy nhiệt điện. Mục đích chính của việc sử dụng kim loại thứ hai tham gia trong kết cấu là để đạt đƣợc tính chất cơ học tốt hoặc là khối lƣợng riêng thấp hay có tính chống ăn mòn tốt.
Và kỹ thuật thƣờng đƣợc áp dụng cho phép sử dụng hai kim loại khác nhau trong những năm gần đây là kỹ thuật hàn. Mặc dù những vấn đề liên quan đến hàn các vật liệu khác nhau là rất hạn chế, xuất phát từ các vấn đề nhƣ độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn nhƣ hàn thép không gỉ austenit với thép cacbon. Thép không gỉ austenit là thép hợp kim cao làm tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống ăn mòn và tăng độ bền của kết cấu. Thép cacbon 10 thấp và trung bình là thép dễ dàng gia công bằng các quá trình cơ khí và quá trình hàn.
Nhu cầu sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này trong một số ngành công nghiệp bằng kỹ thuật hàn đã đƣa đến các tiến bộ nhƣ hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trƣờng khí trơ (GTAW/TIG). Trong các tiêu chuẩn AWS D1.6 và ASME IX việc hàn hai kim loại khác nhau đƣợc đề cập đến với các thông số khá tổng quát và phạm vi giá trị khá rộng. Do vậy, việc xác định các qui trình hàn phù hợp cho hai vật liệu với mác cụ thể là một khó khăn do cần phải thực hiện một số lƣợng lớn thí nghiệm cùng với chi phí đo kiểm cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ về số nhà máy lọc hoá dầu ở Việt Nam dẫn đến nhu cầu lớn về xây dựng các bồn chứa xăng dầu, bồn chứa khí gas nên việc cần phải có các qui trình hàn phù hợp có năng suất cao để hàn hai loại vật liệu khác nhau nhƣ thép cacbon thấp và thép không gỉ là rất cấp thiết.
Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến năng suất hàn khi hàn thép không gỉ với thép các-bon ” đã đƣợc triển khai nghiên cứu tại trƣờng đại học Lâm nghiệp Hà Nội và các công việc thí nghiệm, đánh giá đƣợc thực hiện tại phòng thí nghiệm RemeLab (trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh). PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu: - Qui trình hàn chế tạo chi tiết mẫu cho cặp vật liệu là thép cacbon với thép không gỉ austenit A240. - Nghiên cứu các thông số ảnh hƣởng đến chế độ hàn, năng suất hàn.
- Đề xuất qui trình hàn trên cơ sở các thông số hàn đã đƣợc xác định nhằm đạt đƣợc năng suất hàn cao. Trong khuôn khổ phạm vi đề tài, năng suất hàn ở đây đƣợc hiểu là năng suất hàn cao nhất có thể đạt đƣợc trên cơ sở qui trình hàn đã đề xuất mà vẫn đảm bảo đƣợc các yêu cầu về chất lƣợng mối hàn (độ bền, thẩm mỹ,…) cũng nhƣ không có chứa các khuyết tật hàn. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN a. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nghiên cứu, bổ sung cơ sở lý thuyết về công nghệ hàn các vật liệu khác chủng loại, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc chế tạo mẫu hàn từ thép cacbon – thép không gỉ austenit đạt yêu cầu chất lƣợng bằng phƣơng pháp hàn TIG.
- Xác định đƣợc thành phần hóa học và cơ tính phù hợp của loại dây hàn phụ để hàn cặp vật liệu thép cacbon với thép không gỉ austenit. - Xác định đƣợc các thông số hàn (cƣờng độ dòng điện hàn, vận tốc hàn, đƣờng kính que hàn) phù hợp và qua đó tìm đƣợc chế độ hàn đạt năng suất cao. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Ứng dụng phƣơng pháp hàn TIG để hàn thép cacbon với thép không gỉ austenit mối hàn liên kết tấm giáp mối đƣợc vát cạnh chữ V. - Đề xuất đƣợc chế độ hàn đạt năng suất cao có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần vào quá trình đào tạo, kiểm tra chất lƣợng mối hàn bằng phƣơng pháp kiểm không phá hủy (NDT) và phƣơng pháp phá hủy (DT). Qui trình hàn đề xuất có thể chuyển giao cho các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ hàn hàn hai vật liệu thép cacbon – thép không gỉ nói riêng và công nghệ hàn hai vật liệu nói chung để đạt đƣợc năng suất cao, cho phép giảm chi phí sản xuất trong các ngành công nghiệp đặc thù nhƣ đóng tàu, dầu khí, hóa chất,… 12 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về kim loại hàn 1.1 Thép không gỉ Thép không gỉ là một nhóm thép hợp kim cao, chứa ít nhất 12% crôm [1, 20]. Nói chung, chúng đƣợc tạo thành từ các nguyên tố hợp kim với một nguyên tố khác làm cho chúng có thể chống ăn mòn trong nhiều môi trƣờng khác nhau. Những nguyên tố này cũng làm thay đổi cấu trúc tế vi của thép hợp kim, do đó có ảnh hƣởng rõ rệt về tính chất cơ học và tính hàn của chúng.
Có nhiều hệ thống khác nhau đang đƣợc sử dụng để ký hiệu thép không gỉ. Ký hiệu đƣợc sử dụng phổ biến là hệ thống AISI (tiêu chuẩn Mỹ), trong hệ thống này nhóm thép không gỉ austenit đƣợc ký hiệu trong dãy 200 và 300, thép không gỉ mactenxit và ferrit đƣợc ký hiệu trong dãy 400 [1, 20]. Để nhận biết thép có tổ chức kim loại thuộc nhóm nào, có thể sử dụng giản đồ Schaeffler hình 2. Giản đồ Schaeffler cho biết tổ chức pha gần đúng của thép (trong điều kiện cân bằng về nhiệt động học) trên cơ sở đƣơng lƣợng crom (CrE) và đƣơng lƣợng niken (NiE).
Giản đồ Schaeffler [28] 13 Một phƣơng pháp hữu ích để đánh giá các đặc tính chung của quá trình luyện kim của vật liệu hàn thép không gỉ là bằng sơ đồ Schaelfler và Delong. Các nguyên tố hợp kim khác nhau đƣợc thể hiện trong giới hạn của hàm lƣợng niken hoặc crôm tƣơng đƣơng (tức là các nguyên tố nhƣ niken có xu hƣớng hình thành austenit và các nguyên tố nhƣ crôm có xu hƣớng hình thành ferit). Bằng cách vẽ tổng giá trị cho niken và crôm tƣơng đƣơng trên các sơ đồ này, một điểm có thể đƣợc tìm thấy chỉ ra các pha chính có trong thép không gỉ và giới hạn về % ferit và giá trị ferit tƣơng ứng. Điều này cung cấp một số thông tin nhƣ ứng xử của nó trong quá trình hàn.
Thép không gỉ austenit: là thép có chứa 17 – 20% Cr và 8 – 13% Ni, 2 - 3% Mo [16]. Đặc điểm chung của nhóm thép này là chịu đƣợc nhiệt độ cao, tính chống ăn mòn cao, hoàn toàn ổn định trong nƣớc sông, nƣớc biển, quá nhiệt, dung dịch muối, hoàn toàn ổn định trong HNO3 với mọi nồng độ. Công dụng của nhóm thép này là sử dụng trong công nghiệp sản xuất axít, hóa dầu và thực phẩm. Trong lĩnh vực chế tạo thì nhóm này có tính hàn rất tốt bao gồm các chủng loại 304, 310, 316.
Thép không gỉ ferit: là thép có chứa 13 – 18% Cr (một số mác thép thành phần Cr có thể lên tới 29%) [16] và hàm lƣợng cacbon thấp < 0,1%. Đặc điểm của nhóm này là có tình chống ăn mòn cao. Công dụng của nhóm này là sử dụng trong môi trƣờng khí hậu biển, nƣớc biển, môi trƣờng axít, công nghiệp hóa dầu. Thép không gỉ mactenxit: là nhóm thép có chứa 12 – 18% Cr và 0,15 – 0,3% C.