Phân tích vết nứt trong mối hàn giữa bụng và cánh dầm
Lĩnh vực ứng dụng | Structural/ vehicle | Ref.# | |
Phân loại hỏng hóc | Hot Cracking of web-to-flang | DGWTR# | APP0013 |
Sản phẩm | Building structure | Edit | Han Le Duy, WE, CWI, IWI-S |
Đề xuất giải pháp | Steel quality and dilution control | Reviewed | WP, IWE |
Liên kết / Vị trí | T-joint /2F | Completed | 8/27/2004 |
NỘI DUNG
Mối hàn bị nứt và không bị nứt trong liên kết hàn giữa bụng và cánh dàm đều được kiểm tra trong báo cáo này. Nguyên nhân của nứt được xác định là do sự kết hợp giữa thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và tỷ lệ tham gia/hòa tan của kim loại cơ bản với kim loại mối hàn (dilution).
Nứt không xảy ra khi thành phần của kim loại cơ bản thích hợp, và/hoặc tỷ lệ hòa tan giảm xuống. Mối hàn sửa được thực hiện bằng quá trình hàn que (SMAW), tạo ra mối hàn không có khuyết tật, bởi sự khác nhau về độ hòa tan kim loại cơ bản vào trong mối hàn.
TỪ KHÓA: độ hòa tan kim loại cơ bản vào trong mối hàn, dilution/ admixture, chiều sâu ngấu, penetration, SAW, SMAW, Carbon, Lưu huỳnh, Sulfur, nứt nóng, nứt kết tinh, solidification cracking, hot cracking, hệ số đánh giá nứt nóng UCS.
1. Giới thiệu chung
Ông Bryan White của công ty ABC đã gọi cho Lincoln Electric (LE) với báo cáo về việc xuất hiện một số vết nứt trong mối hàn góc giữa bụng và cánh dầm. Các vết nứt được tìm thấy trên những mối hàn góc dài. Theo như dạng liên kết xây dựng điển hình, mối hàn góc chỉ được thực hiện ở một phía của bản bụng (thay vì hàn mối hàn góc từ hai phía). Vết nứt được phát hiện chỉ ở trong mối hàn nối giữa bản cánh trên với bụng. Mối nối giữa bản cánh dưới với bụng không có nứt.
Ông White báo cáo rằng, vết nứt không xuất hiện ở trong xưởng, nhưng theo thời gian, các cấu kiện được vận chuyển tới công trường để chuẩn bị cho gá lắp thì những vết nứt được nhìn thấy. Các vết nứt được tìm thới ở phía tâm của bề mặt mối hàn. Các mối hàn trong một vài kết cấu được quan sát thấy có nứt, và vết nứt cũng được phát hiện thấy theo như hiện tượng mô tả ở trên: xuất hiện nứt trong mối hàn giữa tấm cánh ở trên với bụng, trong khi mối hàn giữa tấm cánh ở dưới với bụng không có nứt. Tuy nhiên, cũng có những kết cấu thép không xuất hiện vết nứt nào.
Hai kiện thép được gửi tới Lincoln Electric (LE) để phân tích. Kiện hàng thứ nhất gồm 03 nhóm liên kết:
- Nhóm A: gồm một phần của tấm cánh ở trên, phần liên kết hàn giữa tấm cánh trên với bụng, và một phần thép bản bụng.
- Nhóm B: Phần thép bản bụng (không có mối hàn)
- Nhóm C: Gồm một phần của tấm cánh ở dưới, phần liên kết hàn giữa tấm cánh dưới với bản bụng, và một phần của thép bản bụng.
Kiện hàng thứ 2 gồm nhóm liên kết thứ 4 (nhóm D), gồm một phần của bản cánh ở trên, phần mối hàn nối bụng với cánh trên không có nứt, và một phần bản bụng. Nhóm D khác với nhóm A là không có nứt bên trong mối hàn. Cả bụng và cánh hàn đều sử dụng cùng một loại vật liệu. chiều dày của bản bụng là 5/16’’, trong khi bản cánh ở trên có chiều dày 3/8’’ và bản cánh ở dưới có chiều dày 1/2’’.
Chứng chỉ vật liệu được cung cấp bởi ông White cho thấy, thép bản bụng được cung cấp bởi Janco Steel Ltd., và thuộc nhóm thép cán nóng 50W. Trong khi thép của bản cánh ở trên được cung cấp bở Nucor Bar Mill-Jewett, mác thép ASTM A529-04 grage 55. Không có chứng chỉ vật liệu của thép bản cánh ở dưới.
Mối hàn góc được báo cáo là sử dụng quá trình hàn dưới lớp thuốc SAW sử dụng hai hồ quang nhỏ (Tiny Twin). Quy trình hàn được cung cấp bởi ông White, có thông tin như sau:
Điện cực: Dây hàn Lincoln L-61 (EM12K), đường kính 5/64’’, sử dụng hai dây.
Thuốc hàn: Lincoln 761.
Cực tính: DC+ (electrode positive).
Toocs độ cấp dây: 155 ipm.
Dòng điện hàn: 750 – 800 A.
Điện áp: 29 V.
Tốc độ hàn: 51 ipm.
Ông White cũng báo cáo rằng, mẫu hàn đã được hàn sửa bởi một mối hàn góc ở phía đối diện của tấm bụng, sử dụng quá trình hàn que SMAW, điện cực E7018, và không có nứt xuất hiện.
2. Quá trình kiểm tra ngoại dạng
Các mẫu hàn được kiểm tra ngoại dạng, và cắt tiết diện ngang, sau đó đánh bóng, tẩm thực để kiểm tra hình ảnh tiết diện ngang của mối hàn.
Nhóm A, có vết nứt, thể hiện đặc tính mà có thể nhận thấy ngay như một dạng điển hình đó là: bề mặt vết nứt được phân chia thành hai mặt riêng biệt và rõ ràng. Hình 1 thể hiện rõ ràng hai mặt tự nhiên của vết nứt, ở tình trạng như khi LE mới nhận. Trong khi hình 2 thể hiện một cách rõ ràng hai mặt của vết nứt sau khi đã được đánh bóng và tẩm thực. Hình 3 có vẽ 2 đường chỉ ra hai mặt của vết nứt.
Hình 1: Nhóm A, hình ảnh vết nứt mối hàn giữa tấm cánh ở trên với tấm bụng, ở tình trạng như khi LE mới nhận mẫu.
Hình 2: Nhóm A, hình ảnh liên kết bị nứt sau khi đã được đánh bóng, tẩm thực. Ghi chú, vị trí các điểm kiểm tra độ cứng được đánh dấu trên liên kết.
Hình 3: Nhóm A, giống như hình 2, nhưng có vẽ thêm 2 đường thẳng thể hiện 2 mặt của vết nứt.
Trong hình 3, đường màu trắng chỉ một mặt của vết nứt, có hướng xuất phát từ phía đáy của mối hàn, và có kích thước bằng 2/3 chiều dày mối hàn. Đường thẳng màu vàng, chỉ mặt phẳng nứt thứ 2, có hướng phát triển về phía mặt của mối hàn. Đường nứt nằm gần như ở giữa của bề mặt mối hàn.
Hình 4 là mặt cắt ngang của nhóm C, không có vết nứt trong liên kết hàn.
Hình 4: Nhóm C, hình ảnh mặt cắt ngang liên kết hàn giữa tấm cánh bên dưới với tấm bụng, liên kết này không có nứt. Các vị trí kiểm tra độ cứng cũng được đánh dấu.
Hình 5: Nhóm D, hình ảnh mặt cắt ngang liên kết hàn giữa tấm cánh ở trên với tấm bụng, không có khuyết tật nứt.
Hình 2, 3, và 5 đồng thời cũng thể hiện được chiều sâu ngấu của mối hàn vào cả tấm bụng và tấm cánh.
3. Kiểm tra tổ chức thô đại bề mặt vết nứt
Hai bề mặt tự nhiên của vết nứt sẽ thể hiện được đặc tính của vết nứt. Cụ thể, việc quan sát hình thái hình học của bề mặt vết nứt sẽ chỉ ra được đặc tính tự nhiên của vết nứt, và từ đó phân tích được nguyên nhân hình thành vết nứt. Bề mặt vết nứt bị oxy-hóa, nhưng sau khi là sạch hóa học, bề mặt có chất lượng phù hợp để kiểm tra tổ chức thô đại.
Hình 6 là hình ảnh quan sát bề mặt vết nứt bằng kính hiển vi điện tử quét SEM ở phía đáy của liên kết (vùng xác định bởi đường màu trắng trong hình 3). Hình ảnh bo tròn tự nhiên của bề mặt thể hiện rằng đây là nứt do kết tính, hay còn gọi là nứt nóng. Mặt còn lại của vết nứt (với đường màu vàng trong hình 3) thể hiện dấu hiệu của vết xé rách do biến dạng dẻo.
Hình 6: Hình ảnh SEM bề mặt vết nứt. Hình ảnh cho thấy đây là hình thái hình học của dạng nứt nóng, với đặc tính cơ bản đó là bo tròn, mịn.
4. Phân tích thành phần hóa học
Thành phần hóa học của các mẫu vật liệu cơ bản được kiểm tra. Sau đó so sánh với 2 chứng chỉ vật liệu thép. Kết quả cụ thể như trong bảng 1 dưới đây.
Bảng 1 cho thấy sự tương đồng trong báo cáo của LE với chứng chỉ vật liệu của nhà cung cấp. Tuy nhiên, có một sự khác biệt khá lớn giữa thành phần hóa học của 3 tấm. Phần bôi đậm trong bảng 1 chính là các nguyên tố chính có thành phần cơ bản khác nhau nhiều. Tấm thép bản bụng có hàm lượng cacbon rất thấp, và hàm lượng đồng (Cu), lưu huỳnh (S) thấp. trong khi các nguyên tố này đều có hàm lượng cao hơn ở tấm cánh, tấm cánh trên có hàm lượng cao nhất trong số 3 tấm. Hàm lượng lưu huỳnh ở tấm cánh trên gấp đôi so với tấm cánh dưới và gấp 10 lần so với bản bụng. Tương tự, hàm lượng Man-gan (Mn) ở tấm cánh trên nằm ở dải giữa tấm cánh dưới và bản bụng.
Bảng 1: Thành phần hóa học của các tấm thép (% khối lượng)
5. Kiểm tra độ cứng
Độ cứng theo hướng ngang được thực hiện trên mặt cắt ngang từ cả hai mối hàn (Nhóm A,C). Vị trí các điểm kiểm tra độ cứng được thể hiện như trong hình 2,3 và 4 ở trên. Giá trị kiểm tra độ cứng được đưa ra như trong bảng 2 dưới đây.
Giá trị độ cứng ở trong vùng ảnh hưởng nhiệt cho thấy sự bất thường, ngoại trừ điểm số 6 ở trên tấm cánh dưới (mối hàn không có vết nứt) là có giá trị cao hơn. Những vị trí khác có giá trị gần giống so với giá trị ở vùng kim loại mối hàn.
Bảng 2: Giá trị kiểm tra độ cứng
6. Kiểm tra hình dáng kích thước
Hình dáng kích thước của ba mối hàn góc (Nhóm A, C và D) được đem ra so sánh. Theo như thể hiện trong hình 7-9, có sự khác nhau giữa chiều sâu ngấu vào bên trong tấm cánh và tấm bụng, và có sự khác nhau về hình dạng của mối hàn góc. Để thêm cho phần đánh giá này, đường kẻ đại diện cho bề mặt ban đầu của liên kết trước khi bị ngấu chảy (mặt chảy) được vẽ trên phần mặt cắt ngang mối hàn.
Sau khi kiểm tra cẩn thận và so sánh, cả ba hình ảnh cho thấy sự khác nhau cụ thể như sau:
- Ở trong mối hàn không nứt (Hình 8-9), mối hàn góc có cạnh không bằng nhau, với cạnh ở trên tấm bụng dài hơn.
- Ở trong mối hàn không nứt, chiều sâu ngấu lớn hơn được thấy ở trên tấm bụng. Diện tích mặt cắt ngang của phần kim loại nóng chảy ở trên tấm bụng lớn hơn ở trong hình 8 và 9 so với hình 7.
- Mối hàn có vết nứt ở trong hình 7 thể hiện phần sâu ngấu lớn hơn nằm trên tấm cánh. Và phần diện tích kim loại nóng chảy nhiều hơn nằm ở trên tấm cánh so với hình 8 và 9.
Hình 7: Nhóm A, Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn có nứt với đường kẻ màu trắng là mặt chảy.
Hình 8: Nhóm C, Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn không nứt, đường màu trắng là mặt chảy.
Hình 9: Nhóm D, Hình dạng mặt cắt ngang mối hàn không nứt, đường màu trắng là mặt chảy.
Sử dụng công cụ tính toán Arc Caliper của LE, phần diện tích kim loại nóng chảy ở Nhóm A và D được so sánh. Mối hàn nứt có diện tích 34.18 mm2 ở trên tấm cánh, trong khi mối hàn không nứt có diện tích 21.44 mm2 ở trên tấm cánh. Bởi vậy, Nhóm A có khoảng 60% kim loại của tấm cánh tham gia vào mối hàn. Không có quá nhiều khác biệt về chiều sâu ngấu trên tấm bụng.
7. Phân tích
Với việc quan sát thấy vết nứt có 2 bề mặt riêng biệt, có thể xác định rằng đây chính là hai cơ chế đặc trưng của vết nứt này. Thông qua kiểm tra về kim loại học cho thấy vết nứt bắt đầu từ phía chân của mối hàn, trong sản xuất người ta gọi đó là nứt kết tinh hoặc nứt nóng. Theo lý thuyết này, vết nứt sinh ra sau đó (nơi mà vết nứt nóng kéo dài đến bề mặt mối hàn) dường như xảy ra là do quá trình vận chuyển, nâng hạ các kết cấu gây nên.
Nứt do kết tinh, hoặc nứt nóng được tạo ra bởi một trong số ba nguyên nhân/ cơ chế sau. Thứ nhất, là do kết quả của sự phân tách xảy ra trong quá trình kết tinh, nơi mà các nguyên tố hoặc các hơp chất với nhiệt độ nóng chảy thấp sẽ phân tách hướng vào phía tâm của mối hàn. Kim loại mối hàn kết tinh cùng với việc các hạt bắt đầu phát triển ra xung quanh. Những thành phần mà có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn sẽ bị giữ ở trạng thái kim loại lỏng. Hạt kim loại vẫn tiếp tục phát triển, và những thành phần có nhiệt độ nóng chảy thấp này sẽ tập trung lại thành vùng kim loại nóng chảy trung tâm. Khi mà hạt kim loại kết tinh nguội, nó sẽ co ngót, gây ra biến dạng, co kéo lên vùng kim loại còn ở trạng thái lỏng, và chính lực co kéo này là nguyên nhân gây ra sự phát triển vết nứt.
Viện hàn TWI đã phát triển một công thức để giúp đánh giá độ nhạy đối với nứt nóng của thép dựa trên thành phần hóa học. công thức như sau:
UCS = 230C + 190S + 75P + 45Nb – 12.3Si – 5.4Mn – 1
Khi UCS ≤ 10, thì thép đó có khả năng chống nứt tốt. Còn khi UCS ≥ 30 thì thép đó có nguy cơ bị nứt cao.
Lưu ý rằng, UCS sẽ tăng lên theo % của Carbon, Lưu huỳnh, photpho và Niobium (columbium), và giảm khi hàm lượng Silicon và Mangan tăng.
Công thức này không đề cập đến Đồng, đây cũng là nguyên tố liên quan đến nứt nóng.
Sử dụng công thức của TWI ở trên, 3 loại thép được tính toán và so sánh dựa trên thành phần hóa học ở bảng 1. Kết quả như bảng 3 dưới đây:
Bảng 3: Giá trị UCS đánh giá nứt nóng
Hai giá trị cuối cùng ở trên bảng 3 được tính toán dựa trên giả thiết 50-50% thành phần hóa học giữa tấm bụng và tấm cánh. Các giá trị lớn hơn 30 được bôi đậm ở trong bảng trên.
Vì thép bản bụng có thành phần hóa học có khả nặng chống nứt nóng tốt, trong khi thép bản cánh thì có UCS ≥ 30. Bản cánh trên có giá trị lớn nhất trên 50 nên có khả năng nứt nóng cao hơn so với bản cánh dưới.
Tuy nhiên, mối hàn không chỉ bao gồm thành phần hóa học của một tấm mà là hòa tan giữa tấm bụng và tấm cánh. Hai giá trị cuối cùng cho thấy, với giả thiết 50-50% tham gia của vật liệu bản bụng và bản cánh vào trong kim loại mối hàn, giá trị UCS cho thấy nó không chỉ dự đoán được nứt xảy ra ở mối hàn ở bản cánh trên, mà còn giải thích vì sao mối hàn giữa bản bụng và cánh dưới không xuất hiện vết nứt. Tuy nhiên, nó cũng cho thấy rằng, một số mối hàn giữa bản bụng với bản cánh trên, giống như nhóm D, không xảy ra khuyết tật nứt.
Vì giả thiết 50-50 là không hoàn toàn chính xác. Vì có thể nhận thấy rằng kích thước cạnh mối hàn góc và chiều sâu ngấu trên các tấm bụng và cánh là khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau về chiều sâu ngấu, và việc xảy ra nứt hoặc chống nứt có khuynh hướng giống như dự đoán theo công thức của TWI.
Mối hàn sửa được thực hiện bằng quá trình hàn SMAW, và không có vết nứt xảy ra. Vì SMAW thường dùng que hàn có đường kính lớn hơn so với dây hàn SAW, và dòng hàn lại thấp hơn. Chiều sâu ngấu thường sẽ liên quan đến mật độ dòng điện (xác định bởi dòng điện trên một đơn vị diện tích của điện cực). Có thể dự tính rằng quá trình hàn SAW tạo ra được chiều sâu ngấu cao hơn từ 5-10 lần so với quá trình hàn sửa bằng SMAW. Bởi vậy, với quá trình hàn SAW, chiều sâu ngấu lớn hơn sẽ có hàm lượng hòa tan của kim loại từ tấm cánh vào trong mối hàn nhiều hơn, gây khả năng nứt cao hơn.
8. Kết luận
- Mối hàn có nứt, phân tích cho thấy vết nứt bắt đầu từ chân mối hàn, đây là một dạng nứt nóng/ nứt kết tinh. Sau đó, vết nứt kéo dài lên tới bề mặt của mối hàn.
- Nứt kết tinh xảy ra do sự kết hợp giữa chiều sâu ngấu vào tấm cánh và thành phần hóa học của tấm cánh. Vật liệu sử dụng làm tấm cánh có thành phân hóa học nhạy cảm với nứt nóng.
- Một số mối hàn giữa bản bụng và bản cánh trên không có nứt, bởi vì tỷ lệ ngấu vào tấm bụng lớn hơn, và tấm bụng làm từ vật liệu có khả năng chống nứt tốt hơn.
- Mối hàn giữa bản bụng và bản cánh dưới không có nứt, là do sự kết hợp giữa thành phần hóa học giữa bản bụng và bản cánh tạo nên trong kim loại mối hàn có hệ số UCS chống nứt tốt hơn so với mối hàn giữa bụng với bản cánh trên, đồng thời cũng do sự phân bố chiều sâu ngấu trên bản cánh nhiều hơn.
- Các cấu kiện đã có nứt nóng bên trong, xuất phát từ phía chân của mối hàn sau khi chế tạo, do lưu trữ và vận chuyển, vết nứt phát triển rộng ra và lan dần lên bề mặt.
- Mối hàn sửa bằng SMAW không có nứt bởi vì chiều sâu ngấu và độ hòa tan của kim loại cơ bản vào mối hàn thấp.
9. Khuyến cáo
- Thép làm bản cánh có nguy cơ nứt nóng cao do hàm lượng carbon và lưu huỳnh lớn. Bởi vậy, cần kiểm soát giới hạn của các hàm lượng này và thảo luận với nhà cung cấp.
- Độ hòa tan kim loại cơ bản vào mối hàn là một vấn đề khá cơ bản. Cần phải có sự nghiên cứu để thay đổi và giảm thiểu lượng kim loại cơ bản hòa tan.
- Sự chênh lệch về kích thước cạnh mối hàn trong liên kết hàn không có vết nứt là do sự khác nhau về hướng của điện cực hàn so với chi tiết. Mặc dù trong trường hợp này sự lệch về kích thước cạnh mối hàn không gây ra vết nứt, nhưng đây là một trường hợp không được khuyến khích. Cần phải lưu ý về hướng và góc độ điện cực khi hàn.
===================================
QUYỀN SỞ HỮU VÀ BẢO MẬT: Báo cáo này căn cứ trên các kết quả thử nghiệm của hãng Lincoln Electric, và được biên tập bởi Double Good JSC – Nhà phân phối sản phẩm và Dịch vụ ủy quyền của Lincoln Electric tại Việt Nam. Không được phép sao chép, lưu chuyển, sử dụng tài liệu này với bất kỳ mục đích nào nếu không được sự cho phép bằng văn bản của Double Good JSC.
Ghi chú: Tính đa dạng trong thiết kế, chế tạo và điều kiện làm việc của các sản phẩm thực tế sẽ ảnh hưởng tới kết quả thực nghiệm. Vì vậy các bên tự cân nhắc và chịu trách nhiệm khi áp dụng các thông tin trong báo cáo này vào công việc của mình.
