Hàn hồ quang bảo vệ: Nguyên lý, kỹ thuật và ứng dụng trong hàn thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Hàn hồ quang có bảo vệ (SAW) là một quy trình hàn hồ quang cơ bản được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thép để nối các kim loại đen, đặc biệt là các phần dày. Quy trình này bao gồm việc tạo ra hồ quang điện giữa điện cực tiêu hao và phôi, với lớp phủ thuốc hàn tạo ra bầu khí quyển khí bảo vệ và xỉ để bảo vệ vũng hàn nóng chảy khỏi ô nhiễm khí quyển. Quy trình này tạo ra các mối hàn chắc chắn, chất lượng cao phù hợp cho các ứng dụng kết cấu, bình chịu áp suất và đường ống.

Về cơ bản, SAW hoạt động theo nguyên lý gia nhiệt hồ quang, trong đó năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt để làm nóng chảy vật liệu nền và vật liệu độn. Lớp phủ thuốc hàn đóng vai trò quan trọng trong luyện kim bằng cách kiểm soát thành phần hóa học của kim loại hàn, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và các đặc tính cơ học. Là một tập hợp con của hàn hồ quang, SAW được phân loại theo phương pháp hàn thủ công, bán tự động hoặc tự động, được phân biệt bởi tốc độ lắng đọng cao và khả năng thâm nhập sâu.

Trong phạm vi phân loại rộng hơn của các phương pháp nối thép, SAW được công nhận vì hiệu suất cao, độ thâm nhập mối hàn sâu và phù hợp để hàn tiết diện dày. Nó thường được so sánh với các kỹ thuật hàn hồ quang khác như Hàn hồ quang kim loại bằng khí (GMAW) hoặc Hàn hồ quang vonfram bằng khí (GTAW), chủ yếu là do hệ thống che chắn dựa trên thông lượng độc đáo và năng suất cao.

Cơ sở và cơ chế của quy trình

Nguyên lý hoạt động

Về bản chất, hàn hồ quang có lớp bảo vệ dựa vào hồ quang điện được thiết lập giữa điện cực tiêu hao và phôi. Khi dòng điện chạy qua điện cực, nó nóng lên và tan chảy, tạo thành vũng hàn nóng chảy. Lớp phủ thông lượng trên điện cực phân hủy khi đun nóng, giải phóng khí và tạo thành xỉ bao phủ kim loại nóng chảy, ngăn ngừa quá trình oxy hóa và nhiễm bẩn.

Nguồn năng lượng thường là nguồn điện một chiều (DC) hoặc xoay chiều (AC), cung cấp hồ quang ổn định với dòng điện và điện áp được kiểm soát. Nhiệt do hồ quang tạo ra làm nóng chảy cục bộ kim loại cơ bản và điện cực, tạo ra mối hàn. Các thành phần hóa học của chất trợ dung ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang, sự hình thành xỉ và tính chất hóa học của kim loại hàn, đảm bảo liên kết luyện kim và cấu trúc vi mô mong muốn.

Trong quá trình hàn, sự phân phối nhiệt tập trung tại vùng hồ quang, với một gradient nhiệt mở rộng vào vật liệu cơ bản. Quá trình này bao gồm quá trình gia nhiệt, làm nóng chảy và làm nguội nhanh chóng, dẫn đến các biến đổi luyện kim trong vùng hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Các thông số quy trình, chẳng hạn như dòng điện, điện áp, tốc độ di chuyển và tốc độ cấp điện cực, được tối ưu hóa để đạt được chất lượng mối hàn và các đặc tính cơ học mong muốn.

Động lực hình thành khớp

Ở cấp độ vi cấu trúc, sự hình thành mối hàn bắt đầu bằng việc làm nóng chảy vật liệu cơ bản và kim loại phụ, tạo thành một vũng kim loại lỏng. Khi mối hàn nguội đi, quá trình đông đặc xảy ra, tuân theo các nguyên lý nhiệt động học chi phối các quá trình chuyển đổi pha và phát triển vi cấu trúc. Mẫu đông đặc chịu ảnh hưởng của gradien nhiệt và tốc độ làm mát, tạo ra vi cấu trúc mối hàn thường bao gồm ferit, peclit hoặc martensite, tùy thuộc vào thành phần hợp kim và điều kiện làm mát.

Liên kết kim loại xảy ra thông qua quá trình đông đặc của kim loại hàn và khuếch tán qua giao diện mối hàn. Xỉ hình thành từ quá trình phân hủy thông lượng tương tác với kim loại nóng chảy, thúc đẩy tính đồng nhất hóa học và giảm độ xốp. Độ ổn định nhiệt động của các pha và các yếu tố động học như tốc độ làm mát quyết định cấu trúc vi mô cuối cùng, ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ học.

Quá trình này bao gồm các cơ chế truyền nhiệt phức tạp, bao gồm dẫn nhiệt, đối lưu trong hồ nóng chảy và bức xạ. Kiểm soát đúng các thông số quy trình đảm bảo đầu vào nhiệt đồng đều, giảm thiểu các khuyết tật như độ xốp, vết nứt hoặc sự nóng chảy không hoàn toàn. Nhiệt động lực học của các nguyên tố hợp kim và chuyển đổi pha là rất quan trọng để đạt được tính toàn vẹn mối hàn tối ưu.

Các biến thể quy trình

Các biến thể chính của hàn hồ quang điện bao gồm:

• Hàn hồ quang bảo vệ thủ công (MAW): Được thực hiện bởi người vận hành lành nghề sử dụng điện cực cầm tay, phù hợp với công việc nhỏ hoặc sửa chữa. Nó cung cấp tính linh hoạt nhưng năng suất thấp hơn.

• Hàn hồ quang bảo vệ bán tự động: Sử dụng hệ thống cấp liệu cơ giới để đưa điện cực tiến lên, cải thiện tính nhất quán và hiệu quả. Phổ biến trong các xưởng chế tạo.

• Hàn hồ quang điện tự động: Hệ thống hoàn toàn cơ giới hoặc rô-bốt tự động hóa việc cấp điện cực, di chuyển mỏ hàn và kiểm soát quy trình, cho phép tốc độ hàn cao và mối hàn chính xác.

Sự tiến hóa công nghệ đã chuyển từ hệ thống thủ công sang hệ thống tự động, được thúc đẩy bởi nhu cầu về năng suất cao hơn, tính nhất quán và an toàn. Thiết bị SAW hiện đại kết hợp các hệ thống điều khiển tiên tiến, bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và giám sát thời gian thực để tối ưu hóa các thông số quy trình và đảm bảo chất lượng.

Thiết bị và thông số quy trình

Các thành phần thiết bị chính

Thiết bị chính cho hàn hồ quang điện bao gồm:

• Bộ nguồn: Cung cấp dòng điện và điện áp cần thiết, có khả năng cung cấp nguồn DC hoặc AC với các cài đặt có thể điều chỉnh. Các thiết bị hiện đại có bộ điều khiển kỹ thuật số để điều chỉnh thông số chính xác.

• Giá đỡ và cáp điện cực: Dẫn dòng điện đến điện cực tiêu hao, được thiết kế để có khả năng chịu dòng điện cao và cách nhiệt.

• Điện cực tiêu hao: Thường là dây đặc hoặc dây có lõi thuốc, được lựa chọn dựa trên khả năng tương thích của vật liệu và đặc tính mối hàn mong muốn.

• Hệ thống cung cấp thông lượng: Trong một số biến thể, thông lượng được bôi trước hoặc cung cấp riêng; trong SAW truyền thống, lớp phủ thông lượng trên điện cực là đủ.

• Đầu hàn hoặc hệ thống cơ giới: Dành cho máy hàn SAW bán tự động hoặc tự động, bao gồm cơ chế cấp điện cực, di chuyển mỏ hàn và định vị.

• Hệ thống làm mát và thông gió: Quản lý quá trình tản nhiệt và loại bỏ khói, đảm bảo an toàn cho người vận hành và tuổi thọ của thiết bị.

Khả năng tự động hóa bao gồm trình tự hàn có thể lập trình, cấp điện cực đồng bộ và cảm biến tích hợp để phản hồi quy trình, nâng cao khả năng lặp lại và chất lượng.

Nguồn điện và hệ thống cung cấp

SAW thường sử dụng nguồn điện DC hoặc AC công suất cao có khả năng cung cấp dòng điện từ 200 đến hơn 2000 ampe, tùy thuộc vào yêu cầu về kích thước mối hàn và tốc độ. Hệ thống cung cấp điện bao gồm cáp và đầu nối chịu tải nặng được thiết kế để có dòng điện cao và độ ổn định nhiệt.

Cơ chế điều khiển điều chỉnh dòng điện, điện áp và chiều dài hồ quang, thường được tích hợp với các hệ thống tự động để điều chỉnh động. Cài đặt điện áp và dòng điện được tối ưu hóa dựa trên độ dày vật liệu, cấu hình mối nối và độ xuyên thấu mối hàn mong muốn.

Hệ thống bảo vệ bao gồm cầu dao, rơle quá tải và bộ phận hút khói. Các tính năng an toàn như ngắt khẩn cấp, nối đất và thiết bị bảo vệ cá nhân (PPE) là bắt buộc để giảm thiểu nguy cơ điện và tiếp xúc với khói.

Các thông số quy trình quan trọng

Các thông số kiểm soát chính ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn bao gồm:

• Dòng điện hàn: Thông thường từ 300-1500 A; dòng điện cao hơn sẽ làm tăng độ thâm nhập nhưng có thể gây ra lượng nhiệt quá mức.

• Điện áp: Thường duy trì trong khoảng 25-45 V; ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang và hình dạng hạt hàn.

• Tốc độ di chuyển: Từ 0,2 đến 1,0 m/phút; ảnh hưởng đến lượng nhiệt truyền vào và cấu trúc vi mô.

• Tốc độ cấp điện cực: Được điều chỉnh để duy trì độ dài hồ quang và độ dày mối hàn đồng đều.

• Độ mở rộng điện cực (nhô ra): Thường là 10-20 mm; ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang và khả năng truyền nhiệt.

• Nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ giữa các lớp: Được kiểm soát để ngăn ngừa nứt và kiểm soát cấu trúc vi mô.

Tối ưu hóa bao gồm việc cân bằng các thông số này để giảm thiểu khuyết tật, kiểm soát ứng suất dư và đạt được các đặc tính cơ học mong muốn.

Vật tư tiêu hao và vật liệu phụ trợ

Vật tư tiêu hao chính là điện cực phủ thuốc, thường được phân loại theo tiêu chuẩn AWS (Hiệp hội hàn Hoa Kỳ) như E6010, E7018 hoặc loại có hàm lượng hydro thấp như E7018-H4. Việc lựa chọn phụ thuộc vào thành phần vật liệu cơ bản, vị trí hàn và yêu cầu cơ học.

Trong một số trường hợp, dây lõi thuốc được sử dụng, cung cấp tỷ lệ lắng đọng cao hơn và kiểm soát xỉ tốt hơn. Vật liệu phụ trợ bao gồm khí bảo vệ (nếu sử dụng trong các quy trình lai), dải lót và chất làm sạch.

Bảo quản đúng cách trong môi trường khô ráo, có kiểm soát nhiệt độ sẽ ngăn ngừa sự hấp thụ độ ẩm, có thể gây ra tình trạng xốp. Đầu điện cực phải được chuẩn bị và kiểm tra trước khi sử dụng để đảm bảo hồ quang bắt đầu liên tục.

Thiết kế và chuẩn bị chung

Hình học khớp

Cấu hình khớp nối phổ biến cho SAW bao gồm:

• Mối ghép đối đầu: Dùng để ghép hai tấm trong một hoặc nhiều lần ghép, có cạnh vuông hoặc vát.

• Mối ghép góc: Dành cho khung kết cấu, yêu cầu lắp đặt chính xác.

• Khớp chữ T: Dùng để kết nối các tấm vuông góc, thường yêu cầu phải chuẩn bị rãnh.

• Mối ghép chồng chéo: Được sử dụng trong các ứng dụng sửa chữa hoặc phủ lớp.

Các cân nhắc về thiết kế tập trung vào việc đảm bảo độ xuyên thấu mối hàn thích hợp, ứng suất dư tối thiểu và dễ dàng tiếp cận cho thiết bị cơ giới. Đối với các phần dày, hàn nhiều lần với trình tự thích hợp là điều cần thiết.

Dung sai kích thước là rất quan trọng; thông thường, độ mở gốc 2-4 mm và góc vát 30-45° tạo điều kiện cho sự hợp nhất và thâm nhập thích hợp. Chuẩn bị mối hàn chính xác giúp giảm khuyết tật và cải thiện chất lượng mối hàn.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt

Vệ sinh là tối quan trọng; bề mặt phải không có rỉ sét, dầu, mỡ, sơn và vảy cán. Các phương pháp vệ sinh cơ học như mài hoặc chải bằng dây là phổ biến, bổ sung bằng vệ sinh hóa học nếu cần thiết.

Tình trạng bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến tính toàn vẹn của mối hàn, vì chất gây ô nhiễm có thể gây ra tình trạng xốp, tạp chất hoặc sự kết dính yếu. Xác minh bao gồm kiểm tra trực quan và, nếu cần, thử nghiệm không phá hủy để xác nhận độ sạch.

Chuẩn bị đúng cách đảm bảo tạo hồ quang đều và điều kiện hàn ổn định, giảm thiểu việc phải làm lại và lỗi.

Lắp đặt và cố định

Căn chỉnh chính xác và cố định chắc chắn là điều cần thiết để duy trì hình dạng mối nối trong quá trình hàn. Kẹp cơ học, mối hàn cố định và đồ gá chuyên dụng được sử dụng để ngăn ngừa chuyển động và biến dạng.

Trong hàn nhiều lần, việc cố định sẽ giảm thiểu sự sai lệch giữa các lần hàn. Đối với các phần dày, việc gia nhiệt trước và làm mát có kiểm soát giúp kiểm soát ứng suất dư và biến dạng.

Các phương pháp như khoét lưng, dán dải lót hoặc hệ thống định vị tự động giúp cải thiện độ đồng nhất và giảm nhu cầu gia công lại.

Hiệu ứng luyện kim và cấu trúc vi mô

Thay đổi vật liệu cơ bản

Trong quá trình SAW, thép cơ bản trải qua các chu kỳ nhiệt gây ra các biến đổi cấu trúc vi mô. Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trải qua sự phát triển của hạt, thay đổi pha và khả năng làm mềm hoặc làm cứng tùy thuộc vào hợp kim và tốc độ làm mát.

Trong thép cacbon thấp, HAZ thường giữ lại cấu trúc vi mô ferritic với những thay đổi tối thiểu. Trong thép cường độ cao, HAZ có thể phát triển các hạt thô hoặc cấu trúc martensitic, ảnh hưởng đến độ dẻo dai và độ dẻo dai.

Kích thước hạt tăng lên trong vùng HAZ có thể làm giảm độ dẻo dai, trong khi làm nguội nhanh có thể gây ra hiện tượng cứng lại và ứng suất dư. Làm nóng trước đúng cách và làm nguội có kiểm soát sẽ làm giảm tác động bất lợi.

Đặc điểm của vùng hợp nhất

Vùng nóng chảy (FZ) được đặc trưng bởi cấu trúc vi mô nóng chảy và đông đặc hoàn toàn. Nó thường biểu hiện kiểu hình cây hoặc dạng tế bào, với các pha được xác định bởi thành phần hợp kim và tốc độ làm mát.

Trong thép cacbon, FZ thường bao gồm perlit và ferit, có thể bao gồm cacbua hoặc các pha khác. Tính đồng nhất của cấu trúc vi mô và sự phân bố pha ảnh hưởng đến các tính chất cơ học như độ bền và độ dẻo dai.

Trong thép hợp kim, sự phân tách vi mô hoặc hình thành tạp chất có thể xảy ra, ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn và tính toàn vẹn của mối hàn. Kiểm soát đúng các thông số hàn sẽ giảm thiểu những vấn đề này.

Thách thức luyện kim

Những thách thức phổ biến bao gồm:

• Nứt: Do ứng suất dư, giòn do hydro hoặc làm mát không đúng cách. Sử dụng điện cực hydro thấp và gia nhiệt trước sẽ giảm rủi ro.

• Độ xốp: Do khí bị giữ lại từ quá trình phân hủy thông lượng hoặc độ ẩm. Chuẩn bị bề mặt và chất lượng thông lượng đầy đủ là điều cần thiết.

• Tạp chất và tính không đồng nhất: Do tạp chất từ ​​thông lượng hoặc xử lý điện cực không đúng cách. Kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt ngăn ngừa khuyết tật.

• Kiểm soát pha loãng và thành phần: Pha loãng quá mức từ kim loại cơ bản có thể làm thay đổi tính chất hóa học của mối hàn, ảnh hưởng đến các đặc tính. Nhiệt lượng đầu vào và thiết kế mối nối thích hợp giúp kiểm soát điều này.

Để giải quyết những vấn đề này đòi hỏi phải hiểu các nguyên lý luyện kim và kiểm soát quy trình chính xác.

Tính chất cơ học và hiệu suất

Tài sản	Hiệu quả chung điển hình	Ảnh hưởng đến các thông số quy trình	Phương pháp kiểm tra phổ biến
Độ bền kéo	80-100% kim loại cơ bản	Dòng điện, nhiệt lượng đầu vào, tốc độ làm mát	Kiểm tra độ bền kéo theo ASTM E8
Độ bền va đập	70-90% kim loại cơ bản	Làm nóng trước, nhiệt độ giữa các lần chuyển tiếp	Kiểm tra khía chữ V Charpy (ASTM E23)
Độ cứng	Thay đổi theo cấu trúc vi mô	Tốc độ làm mát, hàm lượng hợp kim	Kiểm tra độ cứng vi mô (Vickers)
Cuộc sống mệt mỏi	Có thể so sánh với kim loại cơ bản	Ứng suất dư, bề mặt hoàn thiện	Kiểm tra độ mỏi (đường cong SN)

Các thông số quy trình ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính này. Nhiệt lượng đầu vào cao hơn có thể làm giảm ứng suất dư nhưng có thể gây ra sự phát triển của hạt, làm giảm độ dẻo dai. Ngược lại, làm nguội nhanh làm tăng độ bền nhưng có nguy cơ nứt.

Ứng suất dư từ quá trình hàn có thể dẫn đến biến dạng hoặc nứt khi chịu tải tuần hoàn. Xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT) thường làm giảm các ứng suất này, cải thiện hiệu suất chống mỏi.

Kiểm soát chất lượng và lỗi

Những khiếm khuyết thường gặp

• Độ xốp: Các khí bị giữ lại tạo ra các lỗ rỗng, làm giảm độ bền. Phòng ngừa bao gồm điện cực khô, vệ sinh bề mặt đúng cách và làm mát có kiểm soát.

• Nứt: Theo chiều ngang hoặc chiều dọc, do ứng suất dư hoặc hydro gây ra. Sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp và gia nhiệt trước sẽ làm giảm nứt.

• Sự nóng chảy không hoàn toàn: Không có sự nóng chảy thích hợp tại các giao diện mối nối. Được đảm bảo bằng các thông số quy trình và chuẩn bị mối nối chính xác.

• Tạp chất xỉ: Chất trợ dung hoặc xỉ còn sót lại bị kẹt trong kim loại hàn. Việc loại bỏ xỉ và kiểm soát chất lượng chất trợ dung thích hợp sẽ ngăn ngừa tạp chất.

• Độ chồng chéo và chiều rộng hạt quá mức: Kỹ thuật kém hoặc thông số không chính xác. Góc điện cực và tốc độ di chuyển thích hợp là rất quan trọng.

Tiêu chí chấp nhận dựa trên các tiêu chuẩn như AWS D1.1, trong đó kiểm tra bằng mắt thường, thử nghiệm siêu âm, chụp X-quang và thử nghiệm thuốc nhuộm thẩm thấu được sử dụng để phát hiện khuyết tật.

Phương pháp kiểm tra

• Kiểm tra trực quan: Kiểm tra các khuyết tật bề mặt, độ thẳng hàng và độ sạch.

• Kiểm tra không phá hủy (NDT): Kiểm tra siêu âm (UT), chụp X-quang (RT), hạt từ (MT) và chất thẩm thấu thuốc nhuộm (PT) để phát hiện các lỗi bên trong và bề mặt.

• Kiểm tra phá hủy: Kiểm tra kéo, uốn và va đập xác nhận các đặc tính cơ học và tính toàn vẹn của mối hàn.

• Giám sát thời gian thực: Cảm biến về độ ổn định hồ quang, nhiệt lượng đầu vào và loại bỏ xỉ cho phép kiểm soát quy trình và ngăn ngừa lỗi.

Quy trình đảm bảo chất lượng

Việc thực hiện một kế hoạch kiểm soát chất lượng toàn diện bao gồm:

• Ghi lại quy trình hàn (WPS) và trình độ thợ hàn.
• Tiến hành kiểm tra trước khi hàn và xác minh độ khít của mối hàn.
• Theo dõi các thông số quy trình trong quá trình hàn.
• Ghi lại tất cả dữ liệu để truy xuất nguồn gốc.
• Thực hiện kiểm tra và thử nghiệm sau khi hàn.
• Duy trì hiệu chuẩn thiết bị và đào tạo nhân viên.

Việc cấp chứng chỉ cho thợ hàn và tuân thủ các tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng và sự tuân thủ nhất quán.

Các phương pháp khắc phục sự cố

Xử lý sự cố có hệ thống bao gồm:

• Phân tích nhật ký quy trình và báo cáo kiểm tra.
• Xác định độ lệch trong các thông số như dòng điện, điện áp hoặc tốc độ di chuyển.
• Kiểm tra sự chuẩn bị và lắp ghép.
• Điều chỉnh các biến quy trình để loại bỏ khuyết tật.
• Thực hiện các hành động khắc phục như vệ sinh lại, hàn lại hoặc xử lý nhiệt sau khi hàn.

Các chỉ số chẩn đoán bao gồm các điểm bất thường trên bề mặt, kiểu xốp hoặc đường lan truyền vết nứt, giúp đưa ra các biện pháp can thiệp có mục tiêu.

Ứng dụng và khả năng tương thích của vật liệu

Kết hợp vật liệu phù hợp

SAW rất hiệu quả trong việc ghép thép cacbon, thép hợp kim thấp và một số loại thép không gỉ. Nó đặc biệt phù hợp với các phần dày, chẳng hạn như bình chịu áp suất, dầm kết cấu và đường ống.

Các yếu tố luyện kim ảnh hưởng đến khả năng nối bao gồm thành phần hợp kim, lượng cacbon tương đương và cấu trúc vi mô. Hàn kim loại không giống nhau đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận các điện cực và gia nhiệt trước để quản lý độ pha loãng và khả năng tương thích pha.

Cần phải cân nhắc đặc biệt khi hàn thép có độ bền cao hoặc chống ăn mòn, thường liên quan đến việc kiểm soát lượng nhiệt đầu vào và xử lý sau khi hàn.

Phạm vi độ dày và khả năng định vị

SAW có khả năng hàn từ 10 mm đến vài trăm milimét trong một lần hàn, với các kỹ thuật hàn nhiều lần được sử dụng cho các phần rất dày. Nó vượt trội ở các vị trí phẳng và nằm ngang do bản chất cơ giới của nó.

Vị trí thẳng đứng và trên cao ít phổ biến hơn nhưng có thể đạt được bằng thiết bị chuyên dụng và điều chỉnh quy trình. Năng suất được tối đa hóa ở vị trí phẳng, khiến SAW trở nên lý tưởng cho chế tạo quy mô lớn.

Tốc độ lắng đọng cao và độ thâm nhập sâu cho phép hàn hiệu quả các thành phần dày, giảm tổng thời gian chế tạo.

Ứng dụng trong ngành

Các lĩnh vực chính sử dụng SAW bao gồm:

• Đóng tàu: Dành cho các phần thân tàu lớn đòi hỏi mối hàn sâu và chất lượng cao.

• Kết cấu đường ống: Dùng để nối các đường ống có thành dày với yêu cầu về tính toàn vẹn cao.

• Chế tạo kết cấu thép: Dùng cho cầu, tòa nhà và máy móc hạng nặng.

• Sản xuất bình chịu áp suất: Đảm bảo mối nối bền, chống rò rỉ.

Các ví dụ thực tế chứng minh việc triển khai thành công với các thông số được tối ưu hóa, tạo ra mối hàn chất lượng cao, tiết kiệm chi phí. Bài học kinh nghiệm nhấn mạnh tầm quan trọng của thiết kế mối nối, kiểm soát quy trình và kiểm tra.

Tiêu chí lựa chọn

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn SAW bao gồm:

• Độ dày và loại vật liệu.
• Yêu cầu về khối lượng và tốc độ sản xuất.
• Cấu hình và khả năng truy cập chung.
• Thông số kỹ thuật về tính chất cơ học.
• Cân nhắc về chi phí, bao gồm đầu tư thiết bị và nhân công.

So với các phương pháp hàn khác, SAW có ưu điểm về tốc độ hàn cao, khả năng thâm nhập sâu và tiềm năng tự động hóa, phù hợp cho chế tạo quy mô lớn, chất lượng cao.

Quy trình và Tiêu chuẩn

Chứng nhận quy trình hàn

Trình độ bao gồm việc phát triển một Quy trình hàn (WPS) xác định các thông số quy trình, thiết kế mối nối và vật liệu. Quy trình được xác nhận thông qua các mối hàn thử nghiệm được thử nghiệm cơ học và NDT.

Các biến số như loại điện cực, dòng điện, điện áp, tốc độ di chuyển, gia nhiệt trước và nhiệt độ giữa các đường dẫn được phân loại là thiết yếu hoặc không thiết yếu theo các tiêu chuẩn như AWS D1.1 hoặc ASME Boiler & Pressure Vessel Code.

Kiểm tra bao gồm các thử nghiệm kéo, uốn, va đập và độ cứng để xác minh hiệu suất hàn. WPS đủ điều kiện đảm bảo khả năng lặp lại và tuân thủ các yêu cầu theo quy định.

Tiêu chuẩn và Quy tắc chính

Các tiêu chuẩn chính chi phối SAW bao gồm:

• AWS D1.1: Quy định hàn kết cấu thép.
• ASME Phần IX: Chứng nhận hàn cho bình chịu áp lực.
• ISO 15614: Tiêu chuẩn đánh giá quy trình hàn.
• EN 15614: Tiêu chuẩn Châu Âu về chứng nhận quy trình hàn.

Các cơ quan quản lý như OSHA, EPA và chính quyền địa phương áp đặt các quy định về an toàn và môi trường phải tuân thủ trong quá trình hàn.

Yêu cầu về tài liệu

Tài liệu bao gồm:

• Thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS).
• Hồ sơ chứng nhận thợ hàn.
• Báo cáo kiểm tra và thử nghiệm.
• Giấy chứng nhận vật liệu và hồ sơ truy xuất nguồn gốc.
• Giấy chứng nhận hiệu chuẩn cho thiết bị.

Việc lưu giữ hồ sơ toàn diện đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm toán và hỗ trợ các quy trình chứng nhận.

Các khía cạnh về sức khỏe, an toàn và môi trường

Nguy cơ an toàn

Rủi ro chính bao gồm điện giật, bức xạ hồ quang, khói và kim loại nóng. PPE thích hợp, bao gồm găng tay cách điện, mũ bảo hiểm và bảo vệ hô hấp, là bắt buộc.

Các giao thức an toàn điện bao gồm nối đất, kiểm tra thiết bị và tuân thủ các quy tắc điện. Hệ thống hút khói làm giảm nguy cơ hít phải khí phân hủy thông lượng.

Các quy trình khẩn cấp bao gồm sơ cứu bỏng, thương tích do điện và kế hoạch ứng phó cháy nổ.

Những cân nhắc về môi trường

SAW tạo ra khói chứa oxit kim loại và các khí như CO, CO₂ và NOx. Thông gió và hút khói đầy đủ sẽ giảm thiểu tác động đến môi trường.

Xỉ thông lượng thải phải được xử lý theo quy định về môi trường. Tái chế xỉ và phế liệu kim loại giúp giảm thiểu chất thải.

Việc tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường bao gồm việc theo dõi khí thải, kiểm soát tiếng ồn và giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng.

Các yếu tố công thái học

Người vận hành phải đối mặt với những thách thức về mặt công thái học như chuyển động lặp đi lặp lại, đứng lâu và tiếp xúc với nhiệt và khói. Các trạm làm việc có thể điều chỉnh, công cụ công thái học và PPE phù hợp giúp giảm mệt mỏi và căng thẳng.

Tự động hóa và cơ giới hóa làm giảm sự tiếp xúc của người vận hành và cải thiện sự an toàn. Lịch trình đào tạo và nghỉ ngơi thường xuyên giúp tăng cường sức khỏe tổng thể tại nơi làm việc.

Những phát triển gần đây và xu hướng tương lai

Tiến bộ công nghệ

Những đổi mới gần đây bao gồm:

• Tích hợp hệ thống hàn robot để tăng độ chính xác và năng suất.
• Thuật toán điều khiển quy trình tiên tiến sử dụng cảm biến thời gian thực.
• Phát triển các công thức thuốc hàn phù hợp với từng loại thép và điều kiện môi trường cụ thể.
• Kỹ thuật hàn kết hợp SAW với các quy trình khác để nâng cao hiệu suất.

Hướng nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào:

• Phát triển công thức có hàm lượng hydro thấp để giảm nứt.
• Cải thiện khả năng tự động hóa và giám sát từ xa.
• Khám phá các kỹ thuật hàn tốc độ cao cho các phần siêu dày.
• Nghiên cứu kiểm soát cấu trúc vi mô thông qua việc làm mát nhanh và điều chỉnh hợp kim.

Các phương pháp thực nghiệm bao gồm mô hình tính toán quá trình truyền nhiệt và chuyển đổi pha để tối ưu hóa các thông số quy trình.

Xu hướng áp dụng của ngành

Xu hướng của ngành công nghiệp ủng hộ việc tăng cường tự động hóa, số hóa và tích hợp SAW vào khuôn khổ Công nghiệp 4.0. Các lực lượng thị trường thúc đẩy bởi nhu cầu chế tạo khối lượng lớn, chất lượng cao ủng hộ các hệ thống cơ giới hóa và rô bốt.

Các ứng dụng mới nổi bao gồm sản xuất bồi đắp các thành phần thép và quy trình hàn lai kết hợp SAW với hàn laser hoặc plasma để tạo ra các hình dạng phức tạp.

Tương lai của SAW nằm ở khả năng kiểm soát quy trình được nâng cao, tính bền vững và khả năng thích ứng với các hợp kim thép mới và các yêu cầu về cấu trúc, đảm bảo sự liên quan liên tục của nó trong chế tạo thép hiện đại.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp tổng quan chi tiết và chính xác về mặt kỹ thuật về Hàn hồ quang điện trong ngành công nghiệp thép, bao gồm các nguyên tắc cơ bản, thiết bị, tác động luyện kim, kiểm soát chất lượng, ứng dụng, tiêu chuẩn, an toàn và xu hướng trong tương lai.