Trong sản phẩm hàn, mối hàn đóng vai trò quan trọng đến giá trị cũng như kết cấu của hệ thống đó, có những hệ thống yêu cầu mối hàn không cao thì có thể bỏ qua, nhưng những hệ thống yêu cầu chất lượng mối hàn tốt thì việc xảy ra khuyết tật hàn sẽ rất nguy hiểm cho hệ thống này ví dụ như hệ thống dẫn dầu trong tầu biển, hệ thống ống dẫn khí, ống dẫn gas…thì xảy ra khuyết tật hàn có thể gây ra thiệt hại nguy hiểm. GMC sẽ trình bày sơ lược với các bạn về ảnh hưởng của khuyết tật hàn đến liên kết mối hàn, hy vọng sẽ giúp các bạn hạn chế và khắc phục một cách tối đa các khuyết tật không đáng có.
Ảnh hưởng của khuyết tật hàn đến cơ tính của liên kết hàn
Ảnh hưởng chung
Các khuyết tật trong kết cấu hàn tự nó không xác định được việc mất khả năng làm việc của kết cấu. Mức độ nguy hiểm của khuyết tật cùng với ảnh hưởng các đặc tính (kiểu, dạng, kích thước…) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố kết cấu và sử dụng.
| Tính chất của vật liệu | Dẻo hay giòn. Có khuynh hướng tạo thành nứt. Khả năng khử ứng suất. Làm chậm vết nứt… |
| Cấu tạo liên kết | Hàn góc hay giáp mối. Yếu tố tỉ lệ |
| Sơ đồ chịu tải | Mối hàn chịu tải hay không. Trạng thái ứng suất đường, mặt,khối. Ứng suất dư |
| Mức độ tập trung ứng suất | Kết cấu (rãnh xẻ, chiều dày khác nhau…) Công nghệ (cong vênh, lệch mép, vảy…) |
| Dạng tải trọng | Tĩnh, động, rung, chu kỳ nhỏ… |
| Ăn mòn của môi trường | Trung tính, ăn mòn yếu, mạnh |
| Tác động nhiệt | Nhiệt độ cao hoặc thấp, tác động chu kỳ |
| Xác suất và nguy cơ hỏng | Đặc trưng quá tải. Nguy cơ tai nạn |
Do điều kiện làm việc của liên kết hàn, vấn đề về ảnh hưởng của khuyết tật đến cơ tính của mối hàn rất được quan tâm. Để đánh giá ảnh hưởng này cần phải biết độ nhạy cảm của kim loại mối hàn đối với khuyết tật, những bất liên tục có hình dạng khác nhau – mức độ tập trung ứng suất.
Độ nhạy của liên kết hàn đối với các khuyết tật – mức độ giảm đặc trưng cơ học của mối hàn tại vùng khuyết tật so với với mối hàn không khuyết tật – phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kiểu, sự phân bố và kích thước khuyết tật, tính chất kim loại, dạng tải trọng, điều kiện sử dụng. Tiếp theo сần phân biệt độ nhạy đối với khuyết tật khi chịu tải trọng tĩnh và động.
Với tải trọng tĩnh tiêu chí độ nhạy đối với khuyết tật thường được hiểu như là độ bền của liên kết hàn có khuyết tật đối với liên kết không khuyết tật. Tiêu chí của độ nhạy đối với khuyết tật khi tải trọng động là hệ số tập trung hiệu quả – tỉ số giới hạn mỏi của liên kết hàn khi không có khuyết tật với có khuyết tật.
Ảnh hưởng của nứt
Tất cả các liên kết hàn của kim loại và hợp kim đều rất nhạy cảm với nứt. Thực tế làm việc cho thấy rằng nứt (dù rất nhỏ) là khuyết tật nguy hiểm nhất của liên kết hàn. Nứt làm giảm mạnh độ bền mỏi hoặc khả năng chịu tải trọng động. Do đó nếu đã xuất hiện nứt thì bắt buộc phải sửa (mài phá, hàn đắp). Các mối hàn sửa nứt ở các chi tiết, sản phẩm phải theo công nghệ đặc biệt đảm bảo độ tin cậy.
Ảnh hưởng của không ngấu
Độ bền tĩnh: Các thử nghiệm so sánh các liên kết hàn cho phép rút ra kết luận sau:
Liên kết hàn thép cacbon thấp và thép không gỉ austenite không bị ảnh hưởng nhiều do không ngấu. Quan hệ giữa chiều sâu không ngấu với độ giảm khả năng tải theo bậc nhất.Các loại thép bền nóng 30CrMnSiNiA, hợp kim nhôm biến dạng Д16T (2024-T4) và AMг-6 có độ bền của mối hàn nhỏ hơn độ bền kim loại cơ bản. Khi tăng chiều sâu không ngấu thì khả năng tải giảm nhưng không tuyến tính.
Hàn gia cố chỗ không ngấu để tăng khả năng chịu tải tĩnh chỉ có tác dụng ở nhiệt độ thường, khi nhiệt độ thấp (to ≈ -40oC) độ bền tĩnh cũng như độ dẻo của liên kết giảm mạnh.Không ngấu ở giữa mối hàn không chỉ làm yếu tiết diện chịu lực mà còn là nơi tập trung ứng suất.Chiều dày vật hàn càng lớn thì độ nhạy đối với không ngấu tăng nhanh hơn.
Khi hàn giáp mối chữ V không ngấu dưới chân làm giảm độ bền tĩnh nhiều hơn so với không ngấu ở giữa mối hàn.Không ngấu ở tâm mối hàn vát mép chữ X ít nguy hiểm hơn không ngấu ở tâm mối hàn chữ V.
Trong miền không ngấu tính dẻo giảm mạnh. Không ngấu kìm hãm sự phát triển biến dạng dẻo kim loại và làm tăng khuynh hướng phá hủy giòn liên kết.Khi chịu kéo toàn bộ biến dạng dẻo tập trung cách chỗ không ngấu 1- 1,5 mm đối với hàn giáp mối không vát mép. Biến dạng dẻo không lan truyền trên toàn chiều dài mẫu, khi vùng không ngấu sâu quá 15% chiều dày mẫu.
Sự tập trung biến dạng lớn và giảm tính dẻo cục bộ tại vùng không ngấu ở giữa mối hàn dùng làm chỉ số giảm khả năng biến dạng của liên kết hàn giáp mối so với mẫu ngấu hoàn toàn, vì không phải tất cả kim loại nóng chảy tham gia biến dạng mà chỉ có vùng nhỏ không ngấu.
Độ bền khi chịu tải trọng thay đổi
Tiêu chí đầu tiên để đánh giá sức bền liên kết hàn khi chịu tải trọng thay đổi là giới hạn mỏi của kim loại cơ bản. Khi chịu tải trọng thay đổi liên kết hàn có độ nhạy đối với không ngấu khác nhau phụ thuộc vào tính chất của kim loại cơ bản, kim loại bổ sung và công nghệ hàn.
Không ngấu làm giảm giới hạn mỏi cũng như rãnh khía.Không ngấu nhỏ gần bề mặt kim loại cơ bản làm giảm mạnh giới hạn mỏi.Việc tăng tiếp theo kích thước không ngấu sẽ làm giảm giới hạn mỏi tỉ lệ với sự giảm diện tích tiết diện mối hàn.Khi chịu tải trọng uốn rung động chỗ không ngấu gần bề mặt chịu kéo nén sẽ giảm mạnh giới hạn mỏi của liên kết hàn.
Khi thử uốn thép cacbon thấp để hàn lò hơi đã sử dụng 10 năm, thấy rằng các khuyết tật ngoài dạng rãnh cắt, lệch mép, chảy loang sẽ làm giới hạn mỏi giảm mạnh hơn nhiều so với khuyết tật bên trong. Nếu không bị ăn mòn thì không ngấu sẽ làm giảm giới hạn mỏi mạnh hơn so với rỗ hoặc lẫn xỉ.
Độ bền khi tải trọng tĩnh lặp lại
Độ bền khi tải trọng thay đổi cũng phụ thuộc vào tần số đặt tải; tần số thấp (vài lần đặt tải trong một phút), độ bền lớn hơn tần số cao (khoảng 1000 lần chất tải trong một phút). Điều này được giải thích rằng biến dạng dẻo sau giai đoạn chịu tải với tần số cao không kịp đạt được giá trị bằng biến dạng dẻo cục bộ với tần số thấp,tức là sau mỗi chu kỳ chịu tải tần số thấp biến dạng dẻo được tích lũy nhiều hơn mỗi chu kỳ tần số cao. Do đó số chu kỳ tải trọng cần thiết để sử dụng toàn bộ khả năng của vật liệu chịu biến dạng với tần số thấp lại nhỏ hơn với tần số cao.
Phân tích kết quả thử nghiệm thấy rằng mối hàn thép không gỉ có độ nhạy đối với khuyết tật lớn không chỉ khi mỏi mà còn cả khi tải trọng tĩnh lặp lại. Có thể thấy rằng giới hạn mỏi tĩnh không giảm tuyến tính khi tăng chiều sâu không ngấu.
Độ dai va đập
Khi thử ở mối hàn không ngấu chỉ ra rằng độ dai va đập giảm nhanh hơn việc tăng chiều sâu không ngấu. Các mẫu hàn có hình dáng không ngấu dạng rãnh khía có độ dai va đập thấp hơn nhiều so với các rãnh tiết diện vuông hay tam giác. Độ nhạy của mối hàn đối với không ngấu phụ thuộc vào chiều sâu không ngấu, nhiệt độ, nhiệt luyện, biến cứng. Độ nhạy của liên kết hàn đối với không ngấu như là yếu tố tập trung ứng suất được xác định không chỉ bởi tính dẻo của vật liệu mà cả đặc tính chịu tải.
Để giải quyết vấn đề về chất lượng liên kết hàn tiếp theo cần phải sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy. Với điều kiện chịu tải đã cho, kim loại mối hàn có độ nhạy cao đối với không ngấu hoặc các khuyết tật khác, thì việc xác định chiều sâu của nó vô ích, vì thực tế dù chiều sâu không ngấu lớn hay nhỏ thì nguy hiểm như nhau. Khi dùng các phương pháp kiểm tra không phá hủy mà phát hiện ra không ngấu dù nhỏ thì cũng coi như là dấu hiệu phế phẩm, (nhưng vẫn có thể sử dụng được).
Ảnh hưởng của rỗ
Độ bền tĩnh
Ảnh hưởng của rỗ đến cơ tính liên kết hàn được đánh giá theo độ nhạy đã cho của kim loại mối hàn đối với khuyết tật này, cũng phụ thuộc vào hệ số tập trung ứng suất.
Độ nhạy của kim loại mối hàn với rỗ phụ thuộc vào kiểu rỗ, kích thước hình học và đặc trưng phân bố trong mối hàn. Các rỗ được chia tương ứng thành rỗ đơn (khoảng cách giữa các rỗ lớn hơn ba lần đường kính lớn nhất), rỗ dạng chuỗi (các rỗ không lẫn nhau với khoảng cách nhỏ hơn đường kính), rỗ tập trung (xốp co) thường kèm với màng oxide.
Rỗ đơn hình cầu thường có hệ số tập trung ứng suất nhỏ nhất .Qua phân tích thấy rằng khi chịu tải trọng tĩnh ảnh hưởng của rỗ đến độ bền thể hiện mức độ giảm đáng kể so với khi chịu tải trọng thay đổi.
Độ bền khi tải trọng thay đổi
Khi đánh giá ảnh hưởng của rỗ đến độ bền liên kết hàn làm việc với tải trọng thay đổi, hệ số tập trung ứng suất gây ra bởi dạng của mối hàn là các yếu tố xác định. Nếu hệ số tập trung ứng suất do dạng mối hàn lớn hơn hệ số tập trung ứng suất do rỗ, thì rỗ không làm giảm khả năng tải của liên kết hàn .Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của rỗ đến độ bền tĩnh, độ dai va đập, góc uốn và độ giãn dài tương đối khi hàn giáp mối thép cacbon thấp (σb =850 MPa) sau khi tôi và ram được trình bày trên (h.39.NM)
Ảnh hưởng của màng oxide, lẫn xỉ và lẫn volfram
Lớp màng oxide ảnh hưởng đến cơ tính nhiều nhất. Trong mối hàn hợp kim nhôm lớp màng oxide mỏng hình dáng tùy ý được xem như là không ngấu. Mức độ tập trung ứng suất của màng oxide cũng như không ngấu.Tiếp theo lẫn xỉ ảnh hưởng một ít đến cơ tính. Lẫn volfram nếu không đi kèm với màng oxide thì không gây ảnh hưởng đến độ bền.Khi xỉ gây áp lực lên thành mối hàn sẽ làm tăng độ bền mỏi. Điều này được giải thích rằng xỉ đóng vai trò như vật thể đàn hồi, làm giảm tập trung ứng suất.
Ảnh hưởng của lẫn volfram đến giới hạn mỏi tùy thuộc vào diện tích mặt ngoài mảnh volfram.Khi tải trọng thay đổi ảnh hưởng của lẫn xỉ đến giới hạn mỏi thực chất phụ thuộc vào mức độ tập trung ứng suất do hình dáng mối hàn.
Ảnh hưởng của hình dáng mối hàn
Độ bền tĩnh
Trong trường hợp chịu tải trọng tĩnh, khi độ bền của mối hàn thấp hơn độ bền kim loại cơ bản thì gia cố mối hàn có thể là yếu tố tích cực. Trong đa số các trường hợp không cần thiết quy định giá trị gia cố. Trong liên kết hàn ngấu hoàn toàn thép cacbon thấp có độ bền mối hàn bằng độ bền kim loại cơ bản, việc hàn gia cố không làm tốt hơn khả năng chịu tải của kết cấu. Chỉ trong liên kết có khả năng xảy ra không ngấu thì hàn gia cố các chỗ yếu khi chịu tải tĩnh là cần thiết.
Độ bền khi chịu tải trọng thay đổi
Các kết cấu hàn làm việc với tải trọng thay đổi, độ bền mỏi giảm không chỉ do các khuyết tật công nghệ (không ngấu), mà còn do yếu tố hình học như là hàn gia cố. Khi tải trọng thay đổi việc gia cố không làm tăng mà ngược lại còn làm giảm giới hạn mỏi của kết cấu hàn.
Gia cố mối hàn với kích thước bất kỳ rõ ràng không làm giảm độ bền tĩnh, tuy nhiên nó ảnh hưởng mạnh đến giới hạn mỏi của liên kết. Gia cố càng lớn, tiếp tục làm giảm góc chuyển tiếp từ kim loại cơ bản đến kim loại nóng chảy, càng làm giảm giới hạn mỏi. Như vậy, hàn gia cố có thể làm mất hết các ưu điểm nhận được từ quá trình công nghệ làm tăng chất lượng kim loại nóng chảy để cải thiện độ bền mỏi.
Ảnh hưởng của lệch mép
Khi kéo, liên kết hàn giáp mối có lệch mép sẽ gây ra momen uốn do phương của lực bị lệch tâm. Tại giao diện kim loại mối hàn với kim loại cơ bản xuất hiện ứng suất vượt quá giá trị danh nghĩa. Mức độ ảnh hưởng của lệch mép đến độ bền của liên kết giáp mối phụ thuộc chủ yếu vào độ nhạy của khuyết tật đối với tập trung ứng suất, đặc trưng đặt lực.
Khi hàn thép cacbon thấp chiều dày mỏng (<10 mm), lệch mép không gây ảnh hưởng nhiều đến độ bền tĩnh vì kim loại mối hàn kém nhạy đối với tập trung ứng suất. Nếu kim loại mối hàn nhạy đối với tập trung ứng suất như hợp kim AMг6 thì độ bền tĩnh khi lệch mép giảm đi hơn 25%. Ngoài ra mức độ giảm độ bền còn phụ thuộc vào chiều dày kim loại và công nghệ hàn. Lệch mép khi tải trọng thay đổi ảnh hưởng đáng kể đến giới hạn mỏi của liên kết.Mức độ giảm giới hạn mỏi phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn lệch mép và công nghệ hàn.
GMC đã trình bày sơ lược với các bạn về ảnh hưởng của khuyết tật hàn đến cơ tính của mối hàn, phần sau sẽ trình bày chi tiết về các khuyết tật hàn hay gặp, mời các bạn đón đọc.
