Quá trình
Gia nhiệt sơ bộ là quá trình làm nóng phôi cần hàn đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng trước hoặc trong khi hàn. Gia nhiệt sơ bộ là yêu cầu bắt buộc theo quy định kỹ thuật trước và sau khi hàn. Tuy nhiên, các phương pháp khác có thể được sử dụng trong một số điều kiện nhất định. Cho dù có bắt buộc hay không, gia nhiệt sơ bộ vẫn có một số ưu điểm:
• Giảm ứng suất co ngót trong mối hàn và kim loại nền liền kề, đặc biệt hữu ích đối với các mối hàn có giá trị ứng suất cao.
• Làm chậm tốc độ làm nguội trong phạm vi nhiệt độ quan trọng trong quá trình làm nguội mối hàn, ngăn ngừa hiện tượng cứng hóa quá mức và làm giảm độ dẻo của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
• Làm chậm tốc độ làm nguội trong phạm vi nhiệt độ 400°F cho phép nhiều thời gian hơn để hydro thoát ra khỏi mối hàn và kim loại nền liền kề, tránh hiện tượng nứt do hydro gây ra.
• Loại bỏ các chất gây ô nhiễm.
• Lượng nhiệt làm nóng sơ bộ không được xác định bởi tiêu chuẩn tối thiểu của quy cách kỹ thuật, mà bởi một hoặc nhiều phương pháp sau:
Bảng tính toán
Trong suốt lịch sử, đã có nhiều "bảng tính toán nhiệt độ nung sơ bộ" khác nhau. Nhiều bảng trong số đó có dạng thước trượt tuyến tính hoặc tròn và dự đoán nhiệt độ nung sơ bộ bằng cách xác định vật liệu và độ dày của kim loại nền.
Tương đương cacbon
Chỉ số tương đương cacbon (CE) là một phương pháp để xác định xem có cần làm nóng sơ bộ hay không và ở mức độ nào.
Nếu CE ≤ 0,45%, có thể lựa chọn phương pháp làm nóng sơ bộ một cách tùy ý.
Nếu 0,45 ≤ CE ≤ 0,60%, phạm vi nhiệt độ làm nóng sơ bộ là từ 200°F đến 400°F (100°–200°C).
Nếu CE > 0,60%, phạm vi nhiệt độ làm nóng sơ bộ là từ 400° đến 700°F (200°–350°C)
Khi CE > 0,5, hãy cân nhắc trì hoãn việc kiểm tra không phá hủy (NDE) cuối cùng ít nhất 24 giờ để xác định xem có xảy ra hiện tượng nứt chậm hay không.
Thông số vết nứt
Khi hàm lượng cacbon tương đương bằng hoặc nhỏ hơn 0,17% trọng lượng, hoặc khi sử dụng thép cường độ cao, có thể sử dụng phương pháp phát hiện vết nứt theo thông số Ito & Bessyo (Pcm). Phương pháp này có thể dự đoán chính xác thời điểm cần gia nhiệt sơ bộ, thời điểm cần gia nhiệt cưỡng bức và đến nhiệt độ nào. Cụ thể,
Nếu Pcm ≤ 0,15%, hãy làm nóng sơ bộ ở bất kỳ nhiệt độ nào.
Nếu 0,15% < Pcm < 0,26–0,28%, hãy làm nóng trước đến 200°– 400°F (100°–200°C).
Nếu Pcm > 0,26–0,28%, hãy làm nóng trước đến 400°–700°F (200°–350°C).
Kiểm tra tia lửa điện
Phương pháp thử tia lửa điện đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để ước tính hàm lượng cacbon trong thép cacbon. Hàm lượng cacbon càng cao, tia lửa càng mạnh và càng cần nhiều nhiệt lượng nung nóng trước. Phương pháp này, tuy không chính xác lắm, nhưng khá đơn giản. Nó có thể xác định nhiệt độ nung nóng trước tương đối cao hoặc thấp.
Nguyên tắc chung
Một phương pháp khác, kém chính xác hơn nhưng hiệu quả, để chọn nhiệt độ làm nóng sơ bộ là tính toán mức tăng nhiệt độ làm nóng sơ bộ thêm 100°F (50°C) cho mỗi 10 điểm hàm lượng cacbon (0,10% trọng lượng). Ví dụ, nếu hàm lượng cacbon là 0,25% trọng lượng, thì nhiệt độ làm nóng sơ bộ là 250°F (125°C) hoặc ít nhất là bắt đầu ở 250°F (125°C). Nếu có lớp phủ hoặc các thành phần khác nằm gần mối hàn, thì nhiệt độ làm nóng sơ bộ được xác định theo thông số kỹ thuật sản xuất ban đầu không phù hợp. Tuy nhiên, nếu lượng nhiệt hàn gần với phạm vi tối đa cho phép của quy trình tiêu chuẩn, thì nhiệt lượng truyền đến các thành phần được hàn có thể được cân bằng bởi lượng nhiệt hàn, khiến kim loại bị ảnh hưởng được nung nóng đến hoặc vượt quá yêu cầu làm nóng sơ bộ tối thiểu để có thể áp dụng nhiệt độ làm nóng sơ bộ nhẹ nhàng hơn bằng các phương tiện bên ngoài. Điều quan trọng cần lưu ý là các phạm vi và chuyển đổi không chính xác (°F sang°C) được sử dụng ở đây. Điều này là có chủ ý. Làm nóng sơ bộ không phải là một khoa học chính xác. Trong nhiều trường hợp, việc tiếp tục tăng nhiệt độ làm nóng sơ bộ cho đến khi vấn đề được giải quyết (ví dụ như vết nứt biến mất) là điều bình thường. Ngược lại, trong một số ứng dụng cụ thể, ngay cả nhiệt độ làm nóng sơ bộ thấp hơn mức khuyến nghị hoặc yêu cầu trong thông số kỹ thuật cũng có thể đạt được kết quả mong muốn.
Ứng dụng thực tiễn
Cần chú ý đến các kỹ năng thực hành để tránh các vấn đề do làm mềm vật liệu gây ra bởi quá trình gia nhiệt sơ bộ. Chọn các quy trình hàn và que hàn đưa vào ít hydro hơn. Một số kỹ thuật có thể giảm thiểu ứng suất dư. Theo dõi cẩn thận để đảm bảo phương pháp gia nhiệt sơ bộ được sử dụng chính xác. Các mô tả sau đây rất quan trọng để sử dụng thành công các kỹ thuật này.
Kích thước rãnh hàn và kỹ thuật hàn
Các kỹ thuật được sử dụng trong quá trình hàn có tác động lớn đến độ co ngót của mối hàn, ứng suất dư, việc kiểm soát lượng nhiệt đầu vào và việc tránh nứt vỡ.
Các mối hàn ngắn co ngót theo chiều dọc ít hơn so với các mối hàn dài. Ứng suất dư cũng có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng phương pháp hàn ngược hoặc các trình tự hàn đặc biệt.
Kiểm soát hoặc giảm lượng nhiệt đầu vào. Có thể sử dụng các mối hàn tuyến tính với dao động nhỏ thay vì các mối hàn dao động lớn.
Giảm nứt nẻ
Các miệng hố do hồ quang và vết nứt mối hàn có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất phù hợp.
1) Các mối hàn có tiết diện tròn ít bị nứt hơn so với các mối hàn có tiết diện mỏng và rộng.
2) Tránh khởi động hoặc dừng đột ngột. Quá trình hàn và hình thành mối hàn được kiểm soát bằng kỹ thuật hàn dốc lên/xuống hoặc bằng các phương pháp điện của nguồn điện hàn.
3) Cần có đủ vật liệu được đắp để tránh nứt do co ngót mối hàn hoặc quá trình hàn thông thường. Một nguyên tắc chung để tránh nứt do lượng vật liệu hàn không đủ (và được yêu cầu bởi nhiều tiêu chuẩn sản xuất) là đắp ít nhất 3/8 inch (10 mm) hoặc 25% độ dày rãnh hàn.
Phương pháp làm nóng trước
Việc làm nóng sơ bộ có thể được thực hiện tại xưởng hoặc ngoài công trường bằng cách nung nóng bằng ngọn lửa (nhiên liệu không khí hoặc nhiên liệu axetylen), nung nóng bằng điện trở hoặc nung nóng bằng cảm ứng điện. Bất kể phương pháp nào được sử dụng, việc làm nóng sơ bộ phải đồng đều và, trừ khi có yêu cầu khác, phải xuyên suốt toàn bộ độ dày của mối hàn. Hình 1 cho thấy thiết bị sử dụng nung nóng bằng điện trở (không cách điện, như được áp dụng sau này) và nung nóng bằng cảm ứng.
Giám sát quá trình làm nóng sơ bộ
Có thể sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau để đo và giám sát nhiệt độ. Cần phải làm nóng trước cụm chi tiết hoặc mối hàn để nhiệt lượng thấm hoàn toàn vào vật liệu. Nếu có thể, nên kiểm tra hoặc đánh giá mức độ thấm nhiệt. Nói chung, đối với hầu hết các ứng dụng hàn, việc giám sát nhiệt độ ở khoảng cách xa mép mối hàn là đủ. Việc giám sát hoặc đọc giá trị nhiệt độ không được gây ô nhiễm rãnh hàn.
Các chỉ báo nhiệt độ
Những chiếc bút hoặc dụng cụ giống bút chì này tan chảy ở một nhiệt độ nhất định và có thể được sử dụng để xác định một cách dễ dàng và tiết kiệm nhiệt độ tối thiểu cần đạt được trong quá trình làm nóng sơ bộ, tức là nhiệt độ mà bút tan chảy. Nhược điểm là nó sẽ không hoạt động nếu nhiệt độ của vật gia công cao hơn nhiệt độ nóng chảy của bút. Khi nhiệt độ của vật gia công quá cao, cần nhiều bút hơn với nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
Giám sát nhiệt độ điện tử
Đối với các hoạt động gia nhiệt sơ bộ và hàn, các thiết bị đo trực tiếp như nhiệt kế tiếp xúc hoặc cặp nhiệt điện đọc trực tiếp (với màn hình hiển thị analog hoặc kỹ thuật số) cũng có thể được sử dụng. Tất cả các thiết bị đo phải được hiệu chuẩn hoặc có phương pháp nào đó để xác minh khả năng đo phạm vi nhiệt độ của chúng. Vì cặp nhiệt điện có thể liên tục giám sát và lưu trữ dữ liệu, chúng có thể được sử dụng với máy ghi đường cong hoặc hệ thống thu thập dữ liệu cho các hoạt động gia nhiệt sơ bộ hoặc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). Tiêu chuẩn AWS D10.10 cung cấp nhiều sơ đồ và ví dụ về vị trí đặt cặp nhiệt điện.
Giám sát “nội địa”
Nhiều phương pháp "tự chế" đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để xác định xem nhiệt độ làm nóng sơ bộ đã đủ hay chưa. Một trong số đó, tất nhiên, là phun nước bọt hoặc chất lỏng tạo khói trực tiếp lên phôi. Tiếng "tách" của nước bọt chính là chỉ báo nhiệt độ. Mặc dù không chính xác lắm, nhưng nhiều "người có kinh nghiệm" vẫn sử dụng phương pháp này.
Một phương pháp chính xác hơn để xác định nhiệt độ làm nóng sơ bộ là sử dụng đèn khò axetylen. Ngọn lửa được điều chỉnh đến mức cacbon hóa cao, tạo ra một lớp muội than ở khu vực cần làm nóng sơ bộ. Sau đó, đèn khò được điều chỉnh đến mức khói trung bình, làm nóng khu vực có muội than. Khi muội than biến mất, nhiệt độ bề mặt có thể đạt trên 400°F (200°C).
Hãy đảm bảo nhiệt độ làm nóng sơ bộ đạt được trên toàn bộ chiều dày của phôi và khu vực mối hàn. Hầu hết việc giám sát chỉ được thực hiện trên bề mặt ngoài của phôi. Tiêu chuẩn thực hành AWS D10.10 cung cấp hướng dẫn hữu ích về các vùng giữ nhiệt và yêu cầu toàn bộ chiều dày của phôi phải được làm nóng khi hàn ống với ống.
Cần quan sát kỹ trong quá trình làm nóng sơ bộ để tránh làm quá nóng kim loại nền đã được làm nóng, đặc biệt khi sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng điện trở hoặc gia nhiệt bằng cảm ứng. Nhiều nhà cung cấp hiện nay yêu cầu đặt các cặp nhiệt điện dưới mỗi tấm gia nhiệt bằng điện trở hoặc cụm cuộn cảm ứng để theo dõi và tránh quá nhiệt.
Bản tóm tắt
Dù có cần gia nhiệt sơ bộ hay không, và bất kể phương pháp gia nhiệt sơ bộ nào được sử dụng, việc gia nhiệt sơ bộ đều mang lại những lợi ích sau: Giảm ứng suất co ngót trong mối hàn và kim loại nền liền kề, điều này đặc biệt có lợi cho các mối hàn bị hạn chế cao; Làm chậm tốc độ làm nguội của phôi trong phạm vi nhiệt độ quan trọng, ngăn ngừa sự cứng hóa quá mức của phôi và giảm sự mềm hóa của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ); Làm chậm tốc độ làm nguội của phôi khi đi qua phạm vi nhiệt độ 400°F (200°C), cho phép hydro có thêm thời gian khuếch tán từ mối hàn và kim loại nền liền kề, ngăn ngừa nứt do hydro gây ra; Loại bỏ tạp chất; Khi gia nhiệt sơ bộ, tốt nhất là nên gia nhiệt đều toàn bộ chiều dày mối hàn ở nhiệt độ gia nhiệt sơ bộ đã được chỉ định. Việc gia nhiệt cục bộ quá mức có thể gây hư hại vật liệu, vì vậy hãy cố gắng tránh điều này.
Thời gian đăng: 04-11-2024