Hàn thiếc thép không gỉ

Hàn thiếc thép không gỉ

1. Khả năng hàn

Vấn đề chính trong hàn thiếc thép không gỉ là lớp màng oxit trên bề mặt ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng thấm ướt và lan tỏa của chất hàn. Nhiều loại thép không gỉ chứa một lượng đáng kể Cr, và một số loại còn 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 bền và khó loại bỏ. Khi hàn trong không khí, phải sử dụng chất trợ dung hoạt tính để loại bỏ chúng; Khi hàn trong môi trường bảo vệ, lớp màng oxit chỉ có thể được loại bỏ trong môi trường có độ tinh khiết cao, 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 việc hàn thép không gỉ là nhiệt độ nung có ảnh hưởng nghiêm trọng đến cấu trúc của kim loại nền. Nhiệt độ nung để hàn thép không gỉ austenit không được cao hơn 1150 ℃, nếu không sẽ làm phát triển hạt nghiêm trọng; nếu thép không gỉ austenit không chứa các nguyên tố ổn định Ti hoặc Nb và có hàm lượng cacbon cao, thì cũng nên tránh hàn trong phạm vi nhiệt độ nhạy cảm (500 ~ 850 ℃) để ngăn ngừa sự suy giảm khả năng chống ăn mòn do sự kết tủa của cacbua crom. Việc lựa chọn nhiệt độ hàn cho thép không gỉ mactenit nghiêm ngặt hơn. Một là phải phù hợp nhiệt độ hàn với nhiệt độ tôi, 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 nền bị mềm trong quá trình hàn. Nguyên tắc lựa chọn nhiệt độ hàn của thép không gỉ tôi cứng bằng kết tủa cũng giống như thép không gỉ mactenit, nghĩa là nhiệt độ hàn phải phù hợp với hệ thống xử lý nhiệt để đạt được các tính chất cơ học tốt nhất.

Ngoài hai vấn đề chính nêu trên, còn có hiện tượng nứt do ứng suất khi hàn thép không gỉ Austenit, đặc biệt là khi sử dụng que hàn đồng kẽm. Để tránh hiện tượng nứt do ứng suất, phôi cần được ủ giảm ứng suất trước khi hàn và cần được nung nóng đều trong suốt quá trình hàn.

2. Vật liệu hàn

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

Hợp kim thiếc chì chủ yếu được sử dụng để hàn thép không gỉ, và loại phù hợp nhất là loại có hàm lượng thiếc cao. Hàm lượng thiếc trong hợp kim càng cao thì khả năng thấm ướt trên thép không gỉ càng tốt. Bảng 3 liệt kê độ bền cắt của các mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti được thực hiện bằng một số loại hợp kim thiếc chì thông dụng. Do độ bền của các mối hàn thấp, chúng chỉ được sử dụng để hàn các bộ phận có khả năng chịu tải nhỏ.

Bảng 3: Độ bền cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti được hàn bằng thiếc chì.

Kim loại hàn gốc bạc là loại kim loại hàn được sử dụng phổ biến nhất để hàn thép không gỉ. Trong số đó, kim loại hàn gốc bạc đồng kẽm và bạc đồng kẽm cadmi được sử dụng rộng rãi nhất vì nhiệt độ hàn ít ảnh hưởng đến tính chất của kim loại nền. Độ bền của các mối hàn thép không gỉ ICr18Ni9Ti được hàn bằng một số loại chất hàn gốc bạc thông dụng được liệt kê trong Bảng 4. Các mối hàn thép không gỉ được hàn bằng chất 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 chứa niken, để ngăn ngừa sự ăn mòn của mối hàn trong môi trường ẩm ướt, cần sử dụng kim loại hàn có hàm lượng niken cao hơn, chẳng hạn như b-ag50cuzncdni. Khi hàn thép không gỉ mactenxit, để ngăn ngừa sự mềm hóa của kim loại nền, cần sử dụng kim loại hàn có nhiệt độ hàn không vượt 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 chất trợ hàn tự động chứa lithi, chẳng hạn như b-ag92culi và b-ag72culi. Khi hàn thép không gỉ trong chân không, để đảm bảo kim loại phụ vẫn có khả năng thấm ướt tốt ngay cả khi không chứa các nguyên tố dễ bay hơi như Zn và CD, có thể chọn kim loại phụ bạc chứa các nguyên tố như Mn, Ni và RD.

Bảng 4: Độ bền của mối hàn thép không gỉ ICr18Ni9Ti được hàn bằng kim loại phụ gốc bạc.

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

Bảng 5: Độ bền cắt của mối hàn thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti được thực hiện bằng phương pháp hàn đắp với kim loại phụ gốc đồng chịu nhiệt cao.

Bảng 6: Độ bền cắt của mối hàn bằng thép không gỉ 1Cr13

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

Bảng 7: Độ bền cắt của mối hàn thép không gỉ LCR18NI9FI được thực hiện bằng phương pháp hàn đắp với kim loại phụ gốc mangan.

Khi hàn thép không gỉ bằng que hàn gốc niken, mối hàn có khả năng chịu nhiệt tốt. Que hàn này thường được sử dụng cho phương pháp hàn có khí bảo vệ hoặc hàn chân không. Để khắc phục vấn đề tạo ra nhiều hợp chất giòn 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 nguyên tố dễ tạo pha giòn trong chất hàn được khuếch tán hoàn toàn vào kim loại nền. Để ngăn ngừa hiện tượng tăng trưởng hạt kim loại nền do giữ nhiệt độ hàn quá lâu, có thể áp dụng các biện pháp xử lý như giữ nhiệt độ trong thời gian ngắn và xử lý khuếch tán ở nhiệt độ thấp hơn (so với nhiệt độ hàn) sau khi hàn.

Các kim loại hàn quý dùng để hàn thép không gỉ chủ yếu bao gồm các kim loại hàn gốc vàng và kim loại hàn chứa paladi, trong đó điển hình nhất là B-AU82NI, B-AG54CUPD và B-AU82NI, có khả năng thấm ướt tốt. Mối hàn thép không gỉ có độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống oxy hóa tốt, nhiệt độ làm việc tối đa có thể đạt đến 800 ℃. B-AG54CUPD có đặc tính tương tự như B-AU82NI và giá thành thấp hơn, vì vậy nó có xu hướng thay thế B-AU82NI.

(2) Bề mặt thép không gỉ trong môi trường chất trợ hàn và lò nung chứa các oxit như Cr2O3 và TiO2, chỉ có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng chất trợ hàn có hoạt tính mạnh. Khi hàn thép không gỉ bằng thiếc chì, chất trợ hàn thích hợp là dung dịch axit photphoric hoặc dung dịch axit clohydric oxit kẽm. Thời gian hoạt động của dung dịch axit photphoric ngắn, do đó phải áp dụng phương pháp hàn gia nhiệt nhanh. Có thể sử dụng chất trợ hàn fb102, fb103 hoặc fb104 để hàn thép không gỉ với kim loại phụ gốc bạc. Khi hàn thép không gỉ với kim loại phụ gốc đồng, sử dụng chất trợ hàn fb105 do nhiệt độ hàn cao.

Khi hàn thép không gỉ trong lò nung, người ta 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 10-2 Pa. 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 chất trợ dung hàn khí, chẳng hạn như boron trifluoride, vào môi trường.

2. Công nghệ hàn thiếc

Thép không gỉ cần được làm sạch kỹ lưỡng hơn trước khi hàn để loại bỏ lớp dầu mỡ bám trên bề mặt. Tốt hơn hết là nên hàn ngay sau khi làm sạch.

Hàn thép không gỉ có thể sử dụng các phương pháp gia nhiệt bằng ngọn lửa, cảm ứng và môi trường trong lò. Lò hàn phải có hệ thống điều khiển nhiệt độ tốt (sai lệch nhiệt độ hàn phải nằm trong khoảng ± 6 ℃) và có khả năng làm nguội nhanh. Khi sử dụng hydro làm khí bảo vệ trong quá trình hàn, yêu cầu đối với hydro phụ thuộc vào nhiệt độ hàn và thành phần của kim loại nền, nghĩa là nhiệt độ hàn càng thấp, kim loại nền càng chứa nhiều chất ổn định, thì điểm sương của hydro càng cần thấp hơn. Ví dụ, đối với thép không gỉ mactenxit như 1Cr13 và cr17ni2t, khi hàn ở 1000 ℃, điểm sương của hydro cần phải 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 ℃ trong quá trình hàn ở 1150 ℃; Tuy nhiên, đối với thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti có chứa chất ổn định titan, điểm ngưng tụ hydro phải thấp hơn -40 ℃ khi hàn ở 1150 ℃. Khi hàn có bảo vệ bằng khí argon, độ tinh khiết của argon cần phải cao hơn. Nếu bề mặt thép không gỉ được mạ đồng hoặc niken, yêu cầu về độ tinh khiết của khí bảo vệ có thể giảm xuống. Để đảm bảo loại bỏ lớp màng oxit trên bề mặt thép không gỉ, có thể thêm chất trợ dung khí BF3, và cũng có thể sử dụng chất hàn tự trợ dung có chứa lithi hoặc boron. Khi hàn chân không thép không gỉ, yêu cầu về độ chân không phụ thuộc vào nhiệt độ hàn. Khi nhiệt độ hàn tăng, độ chân không cần thiết có thể giảm xuống.

Quá trình chính xử lý thép không gỉ sau khi hàn là làm sạch chất trợ hàn và chất ức chế dòng chảy còn sót lại, và thực hiện xử lý nhiệt sau hàn nếu cần thiết. Tùy thuộc vào chất trợ hàn và phương pháp hàn được sử dụng, chất trợ hàn còn sót lại có thể được rửa bằng nước, làm sạch cơ học hoặc làm sạch hóa học. Nếu sử dụng chất mài mòn để làm sạch chất trợ hàn hoặc lớp oxit còn sót lại trong vùng được nung nóng gần mối hàn, thì nên sử dụng cát hoặc các hạt mịn phi kim loại khác. Các chi tiết làm bằng thép không gỉ mactenxit và thép không gỉ tôi cứng kết tủa cần xử lý nhiệt theo yêu cầu đặc biệt của vật liệu sau khi hàn. Các mối hàn thép không gỉ sử dụng kim loại phụ NiCrB và NiCrSi thường được 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 hàn.