Khả năng hàn: Tính chất vật liệu quan trọng cho sự thành công của mối nối thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Khả năng hàn đề cập đến khả năng của vật liệu được hàn trong điều kiện chế tạo thành một cấu trúc cụ thể, được thiết kế phù hợp, có hiệu suất tốt trong mục đích sử dụng dự kiến. Nó thể hiện khả năng của vật liệu để trải qua quá trình hàn nóng chảy mà không phát triển các đặc tính luyện kim hoặc cơ học có hại làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của mối hàn.

Tính chất này là cơ bản trong các ngành sản xuất và xây dựng, nơi cần phải ghép các thành phần kim loại. Khả năng hàn xác định liệu vật liệu có thể được hàn thành công bằng các kỹ thuật thông thường hay không trong khi vẫn duy trì các tính chất cơ học mong muốn và tính toàn vẹn của cấu trúc trong toàn bộ vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Trong luyện kim, khả năng hàn là một tính chất phức tạp kết nối thành phần vật liệu, cấu trúc vi mô và các thông số xử lý. Nó không phải là tính chất vật liệu nội tại mà là phản ứng của hệ thống phụ thuộc vào sự tương tác giữa vật liệu cơ bản, kim loại phụ, quy trình hàn và điều kiện dịch vụ của cấu trúc cuối cùng.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, khả năng hàn được điều chỉnh bởi phản ứng của vật liệu đối với các chu kỳ nhiệt nhanh trong quá trình hàn. Các chu kỳ này bao gồm nóng chảy cục bộ, đông đặc nhanh và chuyển đổi trạng thái rắn làm thay đổi cấu trúc vi mô trong và xung quanh mối hàn.

Sự hình thành các pha giòn, sự kết tủa của cacbua tại ranh giới hạt, sự phân tách tạp chất và sự phát triển của ứng suất dư đều xảy ra ở quy mô nguyên tử và tinh thể. Những hiện tượng vi mô này cùng nhau xác định liệu vật liệu có tạo thành mối hàn chắc chắn hay phát triển các khuyết tật như vết nứt, độ xốp hoặc giòn.

Sự khuếch tán của hydro, cacbon và các nguyên tố khác trong chu trình nhiệt hàn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng nứt nguội, một trong những vấn đề phổ biến nhất về khả năng hàn của thép.

Mô hình lý thuyết

Khái niệm tương đương cacbon (CE) đại diện cho mô hình lý thuyết chính để dự đoán khả năng hàn thép. Mô hình này định lượng hiệu ứng kết hợp của nhiều nguyên tố hợp kim khác nhau đối với khả năng tôi và khả năng bị nứt do hydro gây ra.

Hiểu biết về khả năng hàn đã phát triển đáng kể từ những năm 1940 đến những năm 1960 khi các nhà nghiên cứu thiết lập mối tương quan giữa thành phần hóa học và khả năng nứt. Các phương pháp tiếp cận thực nghiệm ban đầu đã nhường chỗ cho các mô hình tinh vi hơn kết hợp lịch sử nhiệt, động học khuếch tán và lý thuyết chuyển đổi pha.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm nhiệt động lực học tính toán (CALPHAD), mô hình phần tử hữu hạn về ứng suất nhiệt và mô hình động học khuếch tán hydro cung cấp những dự đoán toàn diện hơn so với các công thức tương đương carbon truyền thống.

Cơ sở khoa học vật liệu

Khả năng hàn có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể của vật liệu, với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) trong thép ferritic thường thể hiện các đặc tính khả năng hàn khác với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) trong thép austenit. Các ranh giới hạt đóng vai trò là các vị trí ưu tiên cho sự khởi đầu và lan truyền vết nứt trong quá trình hàn.

Cấu trúc vi mô của vật liệu—bao gồm kích thước hạt, phân bố pha và sự hiện diện của chất kết tủa—ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng của vật liệu với chu kỳ nhiệt hàn. Các cấu trúc hạt thô thường có khả năng hàn kém hơn các cấu trúc hạt mịn do độ dẻo dai giảm và dễ bị nứt hơn.

Các nguyên tắc cơ bản như độ ổn định pha, động học khuếch tán và chuyển đổi trạng thái rắn tạo thành nền tảng khoa học để hiểu về khả năng hàn. Khả năng thích ứng với ứng suất trong quá trình làm mát và khả năng chống hình thành vết nứt của vật liệu liên quan trực tiếp đến các nguyên tắc này.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Công thức tương đương cacbon của Viện Hàn Quốc tế (IIW) là:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{(Cr + Mo + V)}{5} + \frac{(Ni + Cu)}{15}$$

Trong đó C, Mn, Cr, Mo, V, Ni và Cu biểu thị phần trăm khối lượng của các nguyên tố này trong thành phần thép. Giá trị CE cao hơn cho thấy khả năng hàn giảm và nguy cơ nứt hydro tăng.

Công thức tính toán liên quan

Công thức Pcm (Tham số đo vết nứt), được phát triển cho thép cacbon thấp:

$$Pcm = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn}{20} + \frac{Cu}{20} + \frac{Ni}{60} + \frac{Cr}{20} + \frac{Mo}{15} + \frac{V}{10} + 5B$$

Tốc độ làm mát quan trọng để tránh hình thành martensit có thể được ước tính bằng:

$$log(CR) = a - b \cdot CE$$

Trong đó CR là tốc độ làm mát tính bằng °C/giây, a và b là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc vi mô mong muốn và ngưỡng độ cứng.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Công thức tương đương cacbon có giá trị nhất đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp có hàm lượng cacbon dưới 0,22%. Đối với thép cacbon cao hơn hoặc thép hợp kim cao, các công thức này trở thành công cụ dự đoán kém tin cậy hơn về khả năng hàn.

Các mô hình này giả định các quy trình hàn hồ quang thông thường và có thể không dự đoán chính xác hành vi trong các quy trình mật độ năng lượng cao như hàn laser hoặc hàn chùm tia điện tử. Các công thức cũng không tính đến các tạp chất phi kim loại hoặc các nguyên tố vết có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn.

Hầu hết các tính toán về khả năng hàn đều giả định bề mặt thép sạch và thiết kế mối nối tiêu chuẩn. Nhiễm bẩn, hình học phức tạp hoặc điều kiện hạn chế bất thường có thể làm mất hiệu lực các dự đoán dựa trên các công thức này.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

Bộ tiêu chuẩn ISO 17642 chỉ định các phương pháp thử nghiệm nứt nguội đối với thép hàn, với các phần 1-3 bao gồm các cấu hình thử nghiệm và phương pháp đánh giá khác nhau.

ASTM A1038 cung cấp phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đánh giá khả năng thép bị nứt do hydro.

AWS B4.0 nêu chi tiết các phương pháp tiêu chuẩn để thử nghiệm cơ học mối hàn, bao gồm các quy trình liên quan đến đánh giá khả năng hàn.

Tiêu chuẩn JIS Z 3158 chỉ định các phương pháp thử nghiệm nứt mối hàn rãnh chữ Y thường được sử dụng ở Nhật Bản để đánh giá khả năng hàn.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thử nghiệm Tekken (thử nghiệm nứt hạn chế rãnh chữ Y) sử dụng đồ gá được thiết kế đặc biệt để tạo ra các điều kiện hạn chế cao mô phỏng các tình huống hàn khắc nghiệt. Các vết nứt phát triển sau khi hàn cho thấy khả năng hàn kém.

Thiết bị mô phỏng cơ nhiệt Gleeble tái tạo các chu trình nhiệt hàn chính xác trong các mẫu vật nhỏ, cho phép nghiên cứu có kiểm soát các thay đổi về cấu trúc vi mô và các tính chất cơ học trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Kiểm tra cấy ghép bao gồm hàn trên một mẫu hình trụ có khía được chèn vào một tấm, sau đó tải nó để xác định ứng suất tới hạn mà dưới đó không xảy ra nứt hydro.

Yêu cầu mẫu

Tấm thử Tekken tiêu chuẩn thường có kích thước 200 × 75 × 10 mm với rãnh chữ Y cụ thể để tạo ra điều kiện hạn chế được kiểm soát.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải vệ sinh kỹ lưỡng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm, vảy cán và oxit có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm. Tẩy dầu mỡ bằng acetone hoặc dung môi tương tự là thông lệ tiêu chuẩn.

Mẫu vật phải có thành phần và cấu trúc vi mô đại diện cho vật liệu đang được đánh giá. Cần ghi lại lịch sử xử lý nhiệt trước đó vì nó ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm khả năng hàn.

Thông số thử nghiệm

Hầu hết các thử nghiệm khả năng hàn được tiến hành ở nhiệt độ môi trường (20-25°C) với độ ẩm được kiểm soát (thường dưới 60% RH) để đảm bảo mức hydro có thể tái tạo được.

Tốc độ làm mát được kiểm soát cẩn thận, với t8/5 (thời gian làm mát giữa 800°C và 500°C) thường dao động từ 5 đến 30 giây tùy thuộc vào loại thép và độ dày được đánh giá.

Hàm lượng hydro trong vật tư hàn được chỉ định và kiểm soát, với các phân loại như điện cực "hàm lượng hydro thấp" (<5 ml/100g kim loại lắng đọng) hoặc điện cực "hàm lượng hydro rất thấp" (<3 ml/100g).

Xử lý dữ liệu

Chiều dài vết nứt được đo bằng kính hiển vi quang học hoặc kỹ thuật thẩm thấu thuốc nhuộm, kết quả thường được biểu thị dưới dạng phần trăm tổng chiều dài mối hàn hoặc diện tích mặt cắt bị ảnh hưởng.

Phân tích thống kê thường liên quan đến nhiều mẫu vật để thiết lập khoảng tin cậy, trong đó phân phối Weibull thường được sử dụng để mô tả xác suất nứt.

Đánh giá khả năng hàn cuối cùng kết hợp các phép đo định lượng với các đánh giá định tính về vị trí vết nứt, phân tích cấu trúc vi mô và khảo sát độ cứng trên toàn bộ mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi CE điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép kết cấu cacbon thấp (S235)	0,35-0,40	Nhiệt độ môi trường, hàn hồ quang tiêu chuẩn	EN 10025
Hợp kim thấp cường độ cao (S355)	0,40-0,45	Nhiệt độ môi trường, hàn hồ quang tiêu chuẩn	EN 10025
Làm nguội & tôi luyện (S690QL)	0,50-0,65	Làm nóng trước 100-150°C	EN 10025-6
Cr-Mo Chịu Nhiệt (P22)	0,60-0,75	Làm nóng trước 200-250°C, cần PWHT	Tiêu chuẩn ASTMA387

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là do sự khác biệt trong quy trình sản xuất, trong đó quy trình cán thép có kiểm soát và sản xuất thép hiện đại thường cải thiện khả năng hàn so với các phương pháp sản xuất cũ.

Các giá trị này nên được hiểu là hướng dẫn chứ không phải là giới hạn tuyệt đối. Có thể hàn thành công ngoài các phạm vi này với các biện pháp kiểm soát quy trình thích hợp như gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn.

Xu hướng chung cho thấy khi độ bền tăng lên ở nhiều loại thép thì khả năng hàn thường giảm, đòi hỏi phải kiểm soát quy trình hàn chặt chẽ hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường kết hợp đánh giá khả năng hàn vào quy trình lựa chọn vật liệu, thường lựa chọn vật liệu có giá trị CE dưới 0,45 cho các ứng dụng quan trọng đòi hỏi phải hàn tại hiện trường rộng rãi.

Các yếu tố an toàn cho khả năng hàn thường bao gồm việc chỉ định nhiệt độ nung nóng trước cao hơn 50°C so với yêu cầu tối thiểu đã tính toán và giảm độ cứng tối đa cho phép trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt xuống 350 HV thay vì 380 HV quan trọng liên quan đến quá trình nứt hydro.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường cân bằng giữa khả năng hàn và yêu cầu về độ bền, đôi khi các nhà thiết kế chấp nhận các quy trình hàn phức tạp hơn cho các vật liệu có độ bền cao hơn khi việc giảm trọng lượng là rất quan trọng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong các kết cấu ngoài khơi, khả năng hàn là tối quan trọng do sự kết hợp của các yêu cầu về độ bền cao, các phần dày và các vị trí hàn đầy thách thức. Vật liệu phải duy trì độ bền trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt trong khi chống nứt hydro trong môi trường biển.

Sản xuất bình chịu áp suất đòi hỏi khả năng hàn tuyệt vời để đảm bảo tính toàn vẹn trong điều kiện tải tuần hoàn và áp suất cao. Các yêu cầu của mã thường chỉ định thử nghiệm bổ sung cho các thành phần quan trọng có hậu quả nghiêm trọng khi hỏng hóc.

Xây dựng đường ống là một ứng dụng quan trọng khác, trong đó việc hàn tại hiện trường các loại thép cường độ cao phải được thực hiện trong điều kiện môi trường thay đổi, đồng thời vẫn phải duy trì các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo độ tin cậy khi sử dụng lâu dài.

Đánh đổi hiệu suất

Khả năng hàn thường xung đột với các yêu cầu về độ bền, vì các nguyên tố hợp kim làm tăng độ bền (Mn, Mo, Cr) cũng có xu hướng làm tăng khả năng tôi và dễ bị nứt do hydro.

Độ bền và khả năng hàn cũng là một sự đánh đổi, đặc biệt là ở những phần dày, nơi tốc độ làm mát thay đổi theo độ dày, có khả năng tạo ra các vùng giòn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt mặc dù vật liệu nền có độ bền tốt.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách chỉ định phạm vi thành phần hẹp, kiểm soát mức độ tạp chất và phát triển các quy trình hàn chuyên biệt có thể bao gồm gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn.

Phân tích lỗi

Nứt nguội do hydro gây ra là chế độ hỏng hóc liên quan đến khả năng hàn phổ biến nhất, thường xảy ra 24-48 giờ sau khi hàn khi hydro khuếch tán đến các vùng có ứng suất cao và tạo điều kiện hình thành vết nứt.

Cơ chế này bao gồm các nguyên tử hydro khuếch tán vào các vùng có ứng suất ba trục cao, làm giảm độ bền kết dính giữa các nguyên tử kim loại và gây ra các vết nứt lan truyền dọc theo ranh giới hạt austenit trước đó trong các cấu trúc vi mô dễ bị tổn thương.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, áp dụng phương pháp làm nóng trước để làm chậm tốc độ làm mát và cho phép hydro khuếch tán ra khỏi mối hàn, đồng thời thực hiện xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất dư và thúc đẩy quá trình khuếch tán hydro.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Carbon có tác động đáng kể nhất đến khả năng hàn, với mỗi 0,01% hàm lượng carbon tăng lên cần phải gia nhiệt thêm khoảng 10°C để duy trì khả năng chống nứt tương đương.

Lưu huỳnh và phốt pho làm giảm nghiêm trọng khả năng hàn bằng cách tạo ra eutectic có điểm nóng chảy thấp gây ra nứt nóng. Sản xuất thép hiện đại thường giới hạn các nguyên tố này ở mức dưới 0,025% và 0,020%.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm hợp kim vi mô với một lượng nhỏ titan hoặc niobi để kiểm soát kích thước hạt trong khi vẫn duy trì hàm lượng carbon thấp, do đó cải thiện cả độ bền và khả năng hàn.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn cải thiện đáng kể khả năng hàn bằng cách tăng khả năng chống nứt nóng và nứt lạnh. Thép được chuẩn hóa hoặc xử lý nhiệt cơ thường có khả năng hàn tốt hơn so với các sản phẩm cán.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, trong đó cấu trúc martensitic hoàn toàn dễ bị nứt do hydro nhất trong khi cấu trúc ferritic-pearlitic có khả năng hàn tốt hơn nhưng độ bền thấp hơn.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là mangan sulfua kéo dài, có thể tạo ra các mặt phẳng yếu tạo điều kiện cho hiện tượng rách lớp trong quá trình hàn tấm cán vuông góc với hướng cán.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt trước khi hàn ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hàn. Thép thường hóa thường có khả năng hàn tốt hơn thép tôi và thép ram có độ bền tương đương do cấu trúc vi mô đồng nhất hơn.

Các quy trình làm việc nguội làm tăng độ cứng và độ bền nhưng lại làm giảm khả năng hàn do tạo ra ứng suất dư và quá trình tôi cứng do biến dạng ảnh hưởng đến hành vi biến đổi trong các chu trình nhiệt hàn.

Tốc độ làm nguội trong quá trình hàn ảnh hưởng nghiêm trọng đến cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng. Làm nguội nhanh thúc đẩy sự hình thành martensit và làm tăng khả năng nứt, trong khi làm nguội chậm hơn cho phép hình thành các cấu trúc vi mô dẻo hơn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường thấp làm tăng tốc độ làm mát trong quá trình hàn, có khả năng hình thành các cấu trúc vi mô giòn trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. Điều này đòi hỏi nhiệt độ gia nhiệt trước cao hơn trong điều kiện thời tiết lạnh.

Môi trường có độ ẩm cao sẽ đưa hydro từ hơi ẩm trong khí quyển hoặc trên bề mặt vật liệu vào vũng hàn, làm tăng đáng kể nguy cơ nứt nguội do hydro.

Tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao có thể khiến một số loại thép hợp kim bị giòn, ảnh hưởng đến khả năng hàn sau này và đòi hỏi phải có quy trình hàn đặc biệt để tránh nứt.

Phương pháp cải tiến

Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) là một phương pháp luyện kim tạo ra thép hạt mịn có sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai tuyệt vời cùng khả năng hàn được cải thiện thông qua quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh.

Việc triển khai các giao thức quản lý hydro—bao gồm nung điện cực, bảo quản vật tư tiêu hao đúng cách và vệ sinh bề mặt—cải thiện đáng kể khả năng hàn bằng cách giảm lượng hydro có thể khuếch tán vào kim loại hàn và vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Việc tối ưu hóa thiết kế mối nối, đặc biệt là giảm sự hạn chế và tránh trạng thái ứng suất ba trục, có thể cải thiện đáng kể khả năng hàn ngay cả đối với những vật liệu khó hàn bằng cách giảm thiểu ứng suất dư gây ra sự hình thành vết nứt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ cứng đề cập đến khả năng hình thành martensit của thép trong quá trình làm nguội và có mối tương quan trực tiếp với khả năng hàn, vì độ cứng cao hơn thường chỉ ra khả năng nứt hydro cao hơn ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Khả năng nứt nguội mô tả xu hướng phát triển các vết nứt chậm của vật liệu sau khi hàn do tác động kết hợp của cấu trúc vi mô dễ bị tổn thương, sự hiện diện của hydro và ứng suất dư.

Nhiệt độ nung nóng trước là nhiệt độ tối thiểu mà vật liệu cơ bản phải được nung nóng trước khi hàn để đảm bảo khả năng hàn chấp nhận được bằng cách kiểm soát tốc độ làm mát và tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán hydro.

Tiêu chuẩn chính

Bộ tiêu chuẩn ISO 15614 thiết lập các quy trình đánh giá chất lượng quy trình hàn, bao gồm các yêu cầu cụ thể cho các nhóm vật liệu khác nhau dựa trên đặc tính hàn của chúng.

Tiêu chuẩn ASME BPVC Phần IX đưa ra các tiêu chuẩn về trình độ cho thợ hàn và quy trình hàn, kết hợp các cân nhắc về khả năng hàn thông qua các biến số cần thiết phải được kiểm soát trong quá trình trình độ.

EN 1011 cung cấp hướng dẫn về hàn vật liệu kim loại, với các phần cụ thể đề cập đến việc hàn các loại thép khác nhau và đưa ra các khuyến nghị dựa trên đặc tính khả năng hàn.

Xu hướng phát triển

Các mô hình khả năng hàn tính toán đang phát triển nhanh chóng, kết hợp động học chuyển đổi pha, khuếch tán hydro và hành vi cơ học để dự đoán khả năng nứt với độ chính xác cao hơn so với các công thức tương đương cacbon truyền thống.

Các công nghệ giám sát tại chỗ sử dụng thuật toán phát xạ âm thanh, hình ảnh nhiệt và học máy đang nổi lên như những công cụ đánh giá khả năng hàn theo thời gian thực trong quá trình hàn sản xuất.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tập trung vào các thiết kế hợp kim được thiết kế riêng, tối ưu hóa cho các quy trình sản xuất bồi đắp, trong đó các khái niệm về khả năng hàn truyền thống phải được điều chỉnh để tính đến các điều kiện nhiệt độ riêng biệt và hành vi đông đặc trong quá trình chế tạo từng lớp.