Cơ sở kỹ thuật hàn
Hàn là việc liên kết các kim loại có cùng hoặc tương tự thành phần dưới tác dụng của nhiệt, có hoặc không có bổ sung kim loại cùng hoặc tương tự. Nhờ hàn, các bộ phận được liên kết với nhau một cách không thể tách rời, tạo thành một thể thống nhất. Hàn tốt đòi hỏi mối liên kết chặt chẽ, điều này chỉ đạt được khi cả vật liệu nền cũng nóng chảy tại vị trí hàn (vùng chảy ngấu).
Hàn hồ quang điện
Đối với kết cấu thép, trước hết người ta xét hàn hồ quang điện, trong đó nhiệt cần thiết được tạo ra bằng hồ quang điện. Hồ quang được hình thành giữa chi tiết cơ bản và cái gọi là điện cực, điện cực này đồng thời nóng chảy và cung cấp vật liệu bổ sung. Việc lựa chọn đúng vật liệu bổ sung (điện cực) có ảnh hưởng lớn nhất đến các tính chất của mối hàn. Điện cực được chọn theo cường độ đặc trưng của vật liệu cơ bản được hàn. Việc lựa chọn điện cực, xác định điều kiện hàn đòi hỏi kiến thức chuyên môn, vì vậy đã hình thành một tổ chức gồm các “kỹ sư chuyên gia về kỹ thuật hàn” được đào tạo đặc biệt, có nhiệm vụ, trong số những việc khác, giám sát công tác hàn và định kỳ gia hạn chứng nhận thợ hàn.
Hàn và cắt bằng khí
Khi hàn khí, nhiệt cần thiết được tạo ra bằng sự cháy của khí, sao cho vật liệu cơ bản và vật liệu bổ sung chảy ra. Quan trọng hơn là cắt. Mỏ cắt ngoài ống nhiệt, hoạt động như khi hàn, còn có thêm một ống cắt ôxy. Thép được nung nóng bằng ngọn lửa nóng sẽ bị đốt xuyên và được thổi ra bằng dòng ôxy. Cắt cho bề mặt phẳng và chính xác, đủ cho nhiều mục đích của kết cấu thép mà không cần gia công thêm.
Khả năng hàn
Khi đánh giá các mối hàn cần lưu ý rằng trong quá trình hàn, thành phần của vật liệu bổ sung cũng như vật liệu nền có thể thay đổi đáng kể. Sự thay đổi cấu trúc cũng rất quan trọng – giữa mối hàn đã nóng chảy và vật liệu nền không thay đổi, tùy theo mức độ tác động nhiệt, tồn tại vùng có cấu trúc khác nhau và do đó có các tính chất khác nhau. Sát mối hàn là khu vực trong đó vật liệu nền đã nóng chảy (vùng nóng chảy) và nơi diễn ra sự liên kết giữa vùng hàn và vật liệu nền. Vùng vật liệu xung quanh cũng bị nung nóng mạnh, mặc dù ở đó chưa đạt tới điểm nóng chảy. Trong vùng quá nhiệt này xuất hiện những biến đổi lớn về cấu trúc, vì vậy nó thường mang tính quyết định đối với các tính chất của toàn bộ mối hàn.
Nứt mối hàn là hiện tượng xuất hiện các vết nứt trong mối hàn, hình thành ngay sau khi hàn khi nhiệt độ còn cao hoặc có thể chỉ xuất hiện khi nguội trong vùng nung xanh (khoảng 300oC). Nứt mối hàn phần lớn là đặc tính của điện cực, nó hầu như chỉ xảy ra ở điện cực bọc, loại vốn rất quan trọng đối với kết cấu thép. Để xuất hiện các vết nứt, cần có hai điều kiện, cụ thể là ứng suất cao do quá trình hàn hoặc do các nguyên nhân bên ngoài khác, cũng như độ cứng của vật liệu tăng lên.
Ngoài những biến đổi luyện kim trong thành phần và cấu trúc vật liệu, còn có các quá trình vật lý quan trọng, liên quan đến lượng nhiệt lớn được đưa vào vật liệu khi hàn và các nhiệt độ cao đạt tới trong quá trình đó. Việc gia nhiệt không diễn ra đồng đều, mà chỉ trong những vùng được giới hạn hẹp. Sự giãn nở nhiệt gắn với gia nhiệt bị ngăn cản bởi ứng suất bên trong của vùng được nung nóng do phần vật liệu không được nung nóng. Ngoài ra còn có ứng suất bên ngoài, vì các chi tiết khi hàn phải được kẹp chặt, do đó khi gia nhiệt sẽ xuất hiện nén dẻo. Khi làm nguội, mối hàn và vùng xung quanh co lại mạnh nhất (co ngót). Khi làm nguội, do sự giãn dài bị cản trở nên phải xuất hiện các ứng suất cưỡng bức (ứng suất do co ngót). Việc nung nóng trước các chi tiết được hàn lên 200 oC đến 300 oC có thể làm chậm đáng kể quá trình làm nguội. Nhờ giảm tác dụng tôi cứng, tổ chức vật liệu hình thành tốt hơn, độ cứng hóa giảm.
Thử nghiệm vật liệu và công tác hàn
Chung: Vì chất lượng công việc hàn phụ thuộc vào nhiều hoàn cảnh, và không cuối cùng là vào tay nghề và độ tin cậy của công nhân chuyên môn, nên cần giám sát và kiểm tra chính xác mọi công việc hàn. Trong các phép thử có thể kể đến các phép xác định khả năng hàn của vật liệu và điện cực, so sánh các điều kiện hàn và quy trình hàn cho một trường hợp cụ thể, thử nghiệm mẫu, v.v.
Hình 1 - Thử uốn mối hàn
Thử uốn mối hàn: Đây là phép thử uốn một dầm đơn giản tiết diện chữ nhật (hình 1), trên đó rãnh dọc được gia công bán nguyệt ở sợi chịu kéo được hàn lại một lớp ở nhiệt độ phòng. Mối hàn làm giảm mạnh khả năng biến dạng, vì vậy các mẫu thử thường gãy rất giòn và đột ngột. Góc uốn đối với các tấm mỏng lớn hơn, và giảm khi chiều dày tấm tăng lên.
Độ dai va đập rãnh khía: Khi thử uốn mối hàn, phần lớn các vết nứt xuất hiện trước hết ở mối hàn, nên xảy ra phá hủy giòn. Vật liệu cơ bản phải có khả năng tiếp nhận tải trọng phát sinh đột ngột khi mối hàn bị nứt giòn. Cần yêu cầu vết nứt trong vùng mối hàn không lan nhanh sang vật liệu cơ bản, mà chỉ được phép phát triển chậm. Vật liệu cơ bản phải đủ dai để tiếp nhận tải trọng đột ngột này và khả năng đó cũng phải được duy trì ở mức đủ lớn ngay cả ở nhiệt độ thấp. Độ dai va đập rãnh khía cũng như các tính chất cơ học khác phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ tiến hành thử. Ở nhiệt độ thấp, ví dụ dưới 0 oC, nó có thể giảm xuống còn một phần giá trị ở 20 oC. Vị trí của sự giảm đột ngột này rất quan trọng khi đánh giá một vật liệu. Đối với các kết cấu thép hàn ngày nay, người ta yêu cầu vật liệu có khả năng chống lão hóa tốt, tức là độ bền va đập rãnh khía cao khi thử kéo nguội.
Hình 2 - Biến dạng trong trạng thái ứng suất tại chỗ khuyết
Độ cứng: Các hiện tượng độ cứng trong vùng hàn có ý nghĩa rất lớn. Việc hiểu sự tăng độ cứng là quan trọng, vì độ giãn dài khi đứt giảm nhanh khi độ cứng tăng (hình 3), trong khi cường độ kéo σB tăng gần như tỷ lệ với độ cứng Brinell HB. Đối với thép xây dựng, xấp xỉ σB = 0,36*HB. Một ví dụ về độ cứng của mối hàn góc chính của dầm chữ I được thể hiện ở hình 4. Trong vùng chuyển tiếp, chỉ trong khoảng cách rất nhỏ đã có sự khác biệt lớn về độ cứng. Đường diễn biến độ cứng phụ thuộc vào cấu trúc hình thành. Đường σ-ε-l thay đổi theo độ cứng tương tự như theo trạng thái ứng suất ở chỗ khuyết (hình 2).
Hình 3 - Độ cứng Brinell và độ giãn dài
Hình 4 - Độ cứng trong vùng mối hàn ở chân một dầm I hàn
Thử nghiệm không phá hủy các mối hàn hoàn thiện
Thông kiểm tra bằng tia xuyên – Khi kiểm tra bằng tia xuyên với chiều dày nhỏ, ảnh X-quang có thể được hiện trên một màn hình. Thay cho tia X có thể dùng tia gamma của các vật liệu phóng xạ. Ảnh X-quang cho phép suy ra chất lượng mối hàn. Xỉ lẫn vào hoặc lỗ rỗng, cũng như các khuyết tật liên kết và vết nứt, có thể được phát hiện như vậy và trong trường hợp cần thiết được loại bỏ.
Dòng từ hóa – Tạo ra một từ trường ở phần thép đang được kiểm tra, sau đó các mạt sắt rắc lên sẽ sắp xếp theo từ trường. Từ những bất thường có thể có trong từ trường có thể phát hiện các vết nứt. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả để tìm các vết nứt bề mặt, nhưng tương đối kém nhạy đối với các lẫn xỉ và lỗ rỗng, cũng như đối với các vết nứt nằm ở bên trong các tấm dày hơn.
Thử nghiệm bằng siêu âm – Các sóng âm cực ngắn không chỉ phản xạ ở các bề mặt ranh giới, mà còn ở các bề mặt phân chia bên trong như ví dụ ở các vết nứt hoặc chỗ phân lớp.