Nứt trong hàn, nguyên nhân và khắc phục

Nứt trong hàn là khuyết tật nguy hiểm nhất trong hàn. Theo tiêu chuẩn ISO 6520-1 và TCVN 6115-1:2005, cần phân biệt sự khác biệt giữa khuyết tật hàn (weld imperfection/discontinuity), và khuyết tật không cho phép (weld defect).

• Khuyết tật hàn (imperfection, discontinuity): là bất kỳ sự sai lệch nào so với mối hàn lý tưởng được thiết kế ra (hay mối hàn mong đợi).
• Khuyết tật không cho phép (defect): là khuyết tật hàn không được chấp nhận khi đem so sánh với tiêu chí chấp nhận khuyết tật trong các tiêu chuẩn áp dụng. Ví dụ: AWS D1.1, ASME IX, hay ISO 5817.

Trong thực tế, việc kiểm soát chất lượng mối hàn nhằm mục đích phòng tránh các khuyết tật không cho phép. Vấn đề khuyết tật hàn khá đa dạng, Trong phạm vi bài viết này, DG Welding xin gửi tới bạn đọc phân loại sơ bộ nhóm các loại khuyết tật hàn và tập trung chủ yếu vào khuyết tật nguy hiểm nhất trong hàn đó là Nứt.

1. Phân loại khuyết tật hàn:

Tùy theo hình dáng, kích thước, vị trí vết nứt, hay bản chất người ta có thể phân loại hay gọi tên các khuyết tật theo các tên gọi khác nhau. Nhưng về cơ bản khuyết tật hàn có thể chia thành 06 nhóm nhỏ sau:

• Nhóm 1: Nứt (Crack, nứt nóng-hot crack, nứt nguội-cold crack)
• Nhóm 2: Rỗ hoặc Rỗng (Pores, porosity, void)
• Nhóm 3: Ngậm tạp chất rắn (inclusion)
• Nhóm 4: Hàn không chảy ngấu và hàn không thấu (lack of fussion, lack of penetration)
• Nhóm 5: Sai lệch hình dáng và kích thước (cháy cạnh-undercut, chảy tràn-overlap, lệch mép- Linear misalignment…)
• Nhóm 6: Các khuyết tật khác (chảy thủng-burn through, vệt hồ quang-stray arc, bắn tóe-spatter…)

2. Nứt nóng và nứt nguội

Nứt là khuyết tật nghiêm trọng nhất trong hàn, vì sẽ tạo tập trung ứng suất và gây phá hủy liên kết khi làm việc hoặc chịu tải trọng. Tùy vào điều kiện hình thành vết nứt có thể chia ra thành hai nhóm chính là nứt nóng (hot crack) và nứt nguội (cold crack).

1. Nứt nóng: 

xảy ra trong quá trình kết tinh (solidification) ở nhiệt độ cao trước khi kim loại mối hàn chuyển hoàn toàn thành pha rắn (ngay dưới nhiệt độ nóng chảy) nên đôi khi gọi là nứt kết tinh. Nguyên nhân chính là do 2 nguyên tố S, P trong vật liệu cơ bản/ vật liệu hàn dễ dàng phản ứng với các nguyên tố như Mn, Si để hình thành các pha nhẹ có nhiệt nóng chảy thấp. Khi kết tinh, các pha này có xu thế nổi lên bề mặt và hướng về tâm của mối hàn, và có xu hướng kẹt ở giữa các biên giới hạt nên làm giảm khả năng liên kết giữa các hạt kim loại (intergranular cohesion). Kết hợp với sự chênh lệch ứng suất do co ngót trong quá trình kết tinh dẫn đến nứt. Vết nứt có thể xảy ra ở bên trong mối hàn (solidification cracking), hoặc xảy ra tại vùng ảnh hưởng nhiệt (liquation cracking), và vết nứt có xu hướng dọc theo mối hàn và ở phía trung tâm của mối hàn. Nứt nóng thường xảy ra khi hàn với các quá trình hàn sử dụng năng lượng đường lớn (như SAW, ESW…).

Để khắc phục hiện tượng nứt nóng có thể thực hiện một số biện pháp như:

• Lựa chọn kim loại cơ bản chất lượng cao, chứa ít tạp chất S, P.
• Hàn với năng lượng đường nhỏ, tăng tốc độ nguội mối hàn.
• Tăng tỷ lệ bề rộng/ chiều sâu (width-to-depth) khi thiết kế liên kết hàn (nhưng không vượt quá 2/3). Nếu chiều sâu của mối hàn lớn hơn quá nhiều so với bề rộng thì bề mặt mối hàn có xu hướng nguội trước và dẫn đến co ngót không đều, dễ gây ra nứt. Ưu tiên sử dụng bán kính góc lượn lớn, đặc biệt là khi hàn SAW.
• Kiểm soát hàm lượng Ferit trong vật liệu hàn. Đặc biệt khi hàn thép không gỉ Austenite, hàm lượng Ferit trong kim loại mối hàn cần kiểm soát trong khoảng 3-10%.

2. Nứt nguội

Xảy ra ở dải nhiệt độ thấp (thường là dưới 200 ^oC). Với đặc điểm xảy ra rất chậm có thể sau khi hàn từ 24-72 tiếng mới phát hiện vết nứt, nên nứt nguội còn có tên gọi khác là nứt chậm (delayed cracking). Nứt nguội thường xảy ra ở vùng kim loại nhạy cảm, có thể tại mối hàn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt, hoặc vùng ngay cạnh mối hàn.

Nguyên nhân của nứt nguội là do một hoặc ba yếu tố sau kết hợp: Tổ chức kim loại nhạy cảm, cứng giòn (martensite), Ứng suất kéo do gá kẹp chặt và co ngót khi nguội, sự khuếch tán của Hydro. Sự khuếch tán Hydro nguyên tử khuếch tán vào kim loại mối hàn xảy ra ở nhiệt độ cao. Nhưng khi nguội Hydro không thoát ra kịp và bị kẹt lại bên trong gây ra các lỗ trống, và dưới ứng suất và co ngót sẽ là tác nhân gây ra nứt nguội. Vì vậy nứt nguội còn có tên gọi là Nứt do hydro (Hydrogen-included crack).

Cách khắc phục nứt nguội:

Để khắc phục hiện tượng nứt nguội, ta thường tìm cách khử hydro xâm nhập vào mối hàn, và làm sạch dầu mỡ, bụi bẩn trước khi hàn. Nguồn Hydro chủ yếu từ độ ẩm trong khí bảo vệ, hoặc trong vỏ bọc que hàn, hay trong thuốc hàn, kim loại cơ bản… Vì vậy cần có chế độ nung sơ bộ và sấy ủ que hàn/ thuốc hàn hợp lý để khử ẩm.

Sử dụng que hàn có vỏ bọc bazo (Loại EXXXX-15, -16, -18) chứa hàm lượng Hydro thấp (H2, H4: Hàm lượng Hydro khuếch tán trong 100g kim loại mối hàn tối đa là 2 hoặc 4 ml). Lưu ý: Với các que hàn bazo là loại dễ nhiễm ẩm. nên cần bảo quản tốt trong bao bì đóng kín. Nếu bóc ra sử dụng, cần để que hàn vào tủ ủ ở nhiệt độ từ 120-175 ^oC. Nếu que hàn mở ra không sử dụng quá từ 2-4 tiếng, thì cần phải sấy lại que hàn ở nhiệt độ khoảng 425 ^oC từ 1-2 tiếng rồi mới được sử dụng.

Ngoài ra, với các loại thép nhạy cảm như thép hợp kim cao, thép C-Mn hoặc thép cacbon có hàm lượng cacbon trên 0.1% và hệ số cacbon tương đương (C_E) trên 0.5 là các loại thép nhạy cảm với nứt nguội. Bởi vậy, với các loại thép này cần tiến hành nung nóng sơ bộ và sử dụng năng lượng đường hợp lý. Kết hợp xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để giảm tốc độ nguội, tránh tổ chức martensite.

Tóm lại, để khắc phục được hiện tượng nứt nóng và nứt nguội khi hàn, cần hiểu rõ bản chất và nguyên nhân phát sinh ra nứt, từ đó mới có thể đưa ra được biện pháp khắc phục hiệu quả. Nếu bạn gặp sự cố nứt chưa giải quyết được có thể liên hệ trực tiếp với Double Good JSC để được hỗ trợ và tư vấn tốt nhất.