Hàn thép không gỉ

Hàn thép không gỉ

1. Khả năng hàn

Vấn đề chính trong quá trình hàn thép không gỉ là lớp màng oxit trên bề mặt ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng làm ướt và lan truyền của mối hàn. Nhiều loại thép không gỉ chứa một lượng đáng kể Cr, và một số loại cũng chứa Ni, Ti, Mn, Mo, Nb và các nguyên tố khác, có thể tạo thành nhiều loại oxit hoặc thậm chí là oxit hỗn hợp trên bề mặt. Trong số đó, các oxit Cr2O3 và TiO2 của Cr và Ti khá ổn định và khó loại bỏ. Khi hàn trong không khí, phải sử dụng thuốc trợ dung hoạt tính để loại bỏ chúng; Khi hàn trong môi trường bảo vệ, lớp màng oxit chỉ có thể được khử trong môi trường có độ tinh khiết cao với điểm sương thấp và nhiệt độ đủ cao; Trong hàn chân không, cần phải có đủ chân không và đủ nhiệt độ để đạt được hiệu quả hàn tốt.

Một vấn đề khác của phương pháp hàn thép không gỉ là nhiệt độ nung nóng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến cấu trúc của kim loại cơ bản. Nhiệt độ nung nóng hàn của thép không gỉ austenit không được cao hơn 1150℃, nếu không hạt sẽ phát triển nghiêm trọng; Nếu thép không gỉ austenit không chứa nguyên tố ổn định Ti hoặc Nb và có hàm lượng cacbon cao, cũng nên tránh hàn trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (500 ~ 850℃). Để ngăn ngừa khả năng chống ăn mòn giảm do kết tủa crom cacbua. Việc lựa chọn nhiệt độ hàn cho thép không gỉ martensitic nghiêm ngặt hơn. Một là phải phù hợp với nhiệt độ hàn và nhiệt độ làm nguội, để kết hợp quá trình hàn với quá trình xử lý nhiệt; Hai là nhiệt độ hàn phải thấp hơn nhiệt độ ram để ngăn kim loại cơ bản bị mềm trong quá trình hàn. Nguyên tắc lựa chọn nhiệt độ hàn của thép không gỉ tôi kết tủa cũng giống như thép không gỉ martensitic, nghĩa là nhiệt độ hàn phải phù hợp với hệ thống xử lý nhiệt để có được các tính chất cơ học tốt nhất.

Ngoài hai vấn đề chính nêu trên, thép không gỉ austenit thường có xu hướng nứt ứng suất khi hàn, đặc biệt là khi hàn với kim loại đồng kẽm. Để tránh nứt ứng suất, phôi phải được ủ khử ứng suất trước khi hàn, và phôi phải được gia nhiệt đều trong quá trình hàn.

2. Vật liệu hàn

(1) Theo yêu cầu sử dụng của mối hàn thép không gỉ, các kim loại hàn thường được sử dụng cho mối hàn thép không gỉ bao gồm kim loại hàn chì thiếc, kim loại hàn gốc bạc, kim loại hàn gốc đồng, kim loại hàn gốc mangan, kim loại hàn gốc niken và kim loại hàn kim loại quý.

Hàn thiếc chì chủ yếu được sử dụng để hàn thép không gỉ, và phù hợp với hàm lượng thiếc cao. Hàm lượng thiếc trong mối hàn càng cao thì khả năng thấm ướt trên thép không gỉ càng tốt. Độ bền cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti được hàn bằng một số loại hàn thiếc chì thông dụng được liệt kê trong Bảng 3. Do độ bền mối hàn thấp, chúng chỉ được sử dụng để hàn các chi tiết có khả năng chịu lực nhỏ.

Bảng 3 cường độ cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti bằng thiếc chì

Kim loại độn gốc bạc là kim loại độn được sử dụng phổ biến nhất để hàn thép không gỉ. Trong số đó, kim loại độn bạc, đồng, kẽm và bạc, đồng, kẽm, cadmium được sử dụng rộng rãi nhất vì nhiệt độ hàn ít ảnh hưởng đến tính chất của kim loại cơ bản. Độ bền của mối hàn thép không gỉ ICr18Ni9Ti được hàn bằng một số loại hàn gốc bạc thông thường được liệt kê trong Bảng 4. Các mối hàn thép không gỉ được hàn bằng hàn gốc bạc hiếm khi được sử dụng trong môi trường ăn mòn cao và nhiệt độ làm việc của các mối hàn thường không vượt quá 300 ℃. Khi hàn thép không gỉ không có niken, để ngăn ngừa sự ăn mòn của mối hàn trong môi trường ẩm ướt, cần sử dụng kim loại độn hàn có hàm lượng niken cao hơn, chẳng hạn như b-ag50cuzncdni. Khi hàn thép không gỉ martensitic, để ngăn ngừa sự mềm hóa của kim loại cơ bản, cần sử dụng kim loại độn hàn có nhiệt độ hàn không quá 650 ℃, chẳng hạn như b-ag40cuzncd. Khi hàn thép không gỉ trong môi trường bảo vệ, để loại bỏ lớp màng oxit trên bề mặt, có thể sử dụng thuốc hàn tự động chứa lithium, chẳng hạn như b-ag92culi và b-ag72culi. Khi hàn thép không gỉ trong môi trường chân không, để kim loại hàn vẫn có khả năng thấm ướt tốt khi không chứa các nguyên tố dễ bay hơi như Zn và CD, có thể chọn kim loại hàn bạc chứa các nguyên tố như Mn, Ni và RD.

Bảng 4 độ bền của mối hàn thép không gỉ ICr18Ni9Ti với kim loại độn gốc bạc

Kim loại điền đầy hàn đồng gốc được sử dụng để hàn các loại thép khác nhau chủ yếu là kim loại điền đầy hàn đồng nguyên chất, đồng niken và đồng mangan coban. Kim loại điền đầy hàn đồng nguyên chất chủ yếu được sử dụng để hàn dưới sự bảo vệ bằng khí hoặc chân không. Nhiệt độ làm việc của mối nối thép không gỉ không quá 400 ℃, nhưng mối nối có khả năng chống oxy hóa kém. Kim loại điền đầy hàn đồng niken chủ yếu được sử dụng để hàn bằng ngọn lửa và hàn cảm ứng. Độ bền của mối nối thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti hàn được thể hiện trong Bảng 5. Có thể thấy rằng mối nối có cùng độ bền với kim loại cơ bản và nhiệt độ làm việc cao. Kim loại điền đầy hàn đồng Cu Mn chủ yếu được sử dụng để hàn thép không gỉ martensitic trong môi trường bảo vệ. Độ bền và nhiệt độ làm việc của mối nối tương đương với kim loại điền đầy hàn bằng vàng. Ví dụ, mối hàn thép không gỉ 1Cr13 bằng chất hàn b-cu58mnco có hiệu suất tương tự như mối hàn thép không gỉ tương tự bằng chất hàn b-au82ni (xem Bảng 6), nhưng chi phí sản xuất giảm đáng kể.

Bảng 5 cường độ cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti với kim loại độn đế đồng chịu nhiệt độ cao

Bảng 6 cường độ cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr13

Kim loại hàn gốc mangan chủ yếu được sử dụng cho hàn bảo vệ bằng khí, và độ tinh khiết của khí yêu cầu phải cao. Để tránh sự phát triển hạt của kim loại nền, nên chọn kim loại hàn tương ứng có nhiệt độ hàn thấp hơn 1150℃. Mối hàn thép không gỉ hàn bằng hàn gốc mangan có thể đạt được hiệu quả hàn tốt, như thể hiện trong Bảng 7. Nhiệt độ làm việc của mối hàn có thể đạt tới 600℃.

Bảng 7 cường độ cắt của mối hàn thép không gỉ lcr18ni9fi với kim loại độn gốc mangan

Khi hàn thép không gỉ với kim loại hàn gốc niken, mối hàn có hiệu suất nhiệt độ cao tốt. Kim loại hàn này thường được sử dụng cho hàn hơi hoặc hàn chân không. Để khắc phục vấn đề tạo ra nhiều hợp chất giòn hơn trong mối hàn trong quá trình hình thành mối hàn, làm giảm nghiêm trọng độ bền và độ dẻo của mối hàn, cần giảm thiểu khe hở mối hàn để đảm bảo các thành phần dễ hình thành pha giòn trong mối hàn được khuếch tán hoàn toàn vào kim loại nền. Để ngăn ngừa sự phát triển của hạt kim loại nền do thời gian giữ nhiệt lâu ở nhiệt độ hàn, có thể áp dụng các biện pháp xử lý giữ nhiệt ngắn hạn và khuếch tán ở nhiệt độ thấp hơn (so với nhiệt độ hàn) sau khi hàn.

Kim loại hàn quý dùng để hàn thép không gỉ chủ yếu bao gồm kim loại hàn gốc vàng và kim loại hàn chứa palladium, trong đó phổ biến nhất là b-au82ni, b-ag54cupd và b-au82ni, có khả năng thấm ướt tốt. Mối hàn thép không gỉ có độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa cao, nhiệt độ làm việc tối đa có thể đạt tới 800℃. B-ag54cupd có đặc tính tương tự b-au82ni và giá thành thấp, nên có xu hướng thay thế b-au82ni.

(2) Bề mặt thép không gỉ trong môi trường trợ dung và lò nung chứa các oxit như Cr2O3 và TiO2, chỉ có thể loại bỏ bằng trợ dung có hoạt tính mạnh. Khi hàn thép không gỉ bằng thiếc chì, trợ dung thích hợp là dung dịch axit photphoric hoặc dung dịch axit clohydric oxit kẽm. Thời gian hoạt tính của dung dịch axit photphoric ngắn, do đó phải sử dụng phương pháp gia nhiệt nhanh khi hàn. Có thể sử dụng trợ dung Fb102, fb103 hoặc fb104 để hàn thép không gỉ với kim loại bù gốc bạc. Khi hàn thép không gỉ với kim loại bù gốc đồng, nên sử dụng trợ dung fb105 do nhiệt độ hàn cao.

Khi hàn thép không gỉ trong lò, thường sử dụng môi trường chân không hoặc môi trường bảo vệ như hydro, argon và amoniac phân hủy. Trong quá trình hàn chân không, áp suất chân không phải thấp hơn 10-2Pa. Khi hàn trong môi trường bảo vệ, điểm sương của khí không được cao hơn -40℃. Nếu độ tinh khiết của khí không đủ hoặc nhiệt độ hàn không cao, có thể thêm một lượng nhỏ thuốc hàn khí, chẳng hạn như bo triflorua, vào môi trường.

2. Công nghệ hàn

Thép không gỉ phải được làm sạch kỹ lưỡng trước khi hàn để loại bỏ dầu mỡ và màng dầu. Tốt nhất là hàn ngay sau khi làm sạch.

Hàn thép không gỉ có thể sử dụng phương pháp gia nhiệt ngọn lửa, cảm ứng và lò nung. Lò nung để hàn trong lò phải có hệ thống kiểm soát nhiệt độ tốt (độ lệch nhiệt độ hàn yêu cầu là ± 6 ℃) và có thể làm mát nhanh chóng. Khi sử dụng hydro làm khí bảo vệ để hàn, yêu cầu về hydro phụ thuộc vào nhiệt độ hàn và thành phần của kim loại cơ bản, nghĩa là, nhiệt độ hàn càng thấp thì kim loại cơ bản chứa càng nhiều chất ổn định và yêu cầu điểm sương của hydro càng thấp. Ví dụ, đối với thép không gỉ martensitic như 1Cr13 và cr17ni2t, khi hàn ở 1000 ℃, điểm sương của hydro yêu cầu thấp hơn -40 ℃; Đối với thép không gỉ crom niken 18-8 không có chất ổn định, điểm sương của hydro phải thấp hơn 25 ℃ khi hàn ở 1150 ℃; Tuy nhiên, đối với thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti có chứa chất ổn định titan, điểm sương hydro phải thấp hơn -40℃ khi hàn ở 1150℃. Khi hàn với lớp bảo vệ argon, yêu cầu độ tinh khiết của argon phải cao hơn. Nếu mạ đồng hoặc niken trên bề mặt thép không gỉ, yêu cầu về độ tinh khiết của khí bảo vệ có thể được giảm bớt. Để đảm bảo loại bỏ lớp màng oxit trên bề mặt thép không gỉ, cũng có thể bổ sung khí trợ dung BF3, và cũng có thể sử dụng chất hàn tự trợ dung có chứa lithium hoặc boron. Khi hàn chân không thép không gỉ, yêu cầu về độ chân không phụ thuộc vào nhiệt độ hàn. Khi tăng nhiệt độ hàn, độ chân không cần thiết có thể giảm xuống.

Quy trình chính của thép không gỉ sau khi hàn là làm sạch thông lượng còn lại và chất ức chế dòng chảy còn lại, và thực hiện xử lý nhiệt sau khi hàn nếu cần. Tùy thuộc vào thông lượng và phương pháp hàn được sử dụng, thông lượng còn lại có thể được rửa bằng nước, làm sạch cơ học hoặc làm sạch bằng hóa chất. Nếu sử dụng chất mài mòn để làm sạch thông lượng còn lại hoặc màng oxit trong khu vực được gia nhiệt gần mối nối, phải sử dụng cát hoặc các hạt mịn phi kim loại khác. Các bộ phận làm bằng thép không gỉ martensitic và thép không gỉ tôi kết tủa cần được xử lý nhiệt theo các yêu cầu đặc biệt của vật liệu sau khi hàn. Các mối nối bằng thép không gỉ hàn bằng kim loại độn Ni Cr B và Ni Cr Si thường được xử lý bằng xử lý nhiệt khuếch tán sau khi hàn để giảm yêu cầu về khe hở hàn và cải thiện cấu trúc vi mô và tính chất của mối nối.