Tại sao cần xử lý nhiệt sau hàn?

Bài viết này thảo luận về quy trình xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) và hiệu quả của nó trong việc giảm ứng suất dư và cải thiện tính chất cơ học của mối hàn.

PWHT là gì?

Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) đề cập đến các hoạt động xử lý nhiệt được thực hiện sau khi gia công/hàn để cải thiện tính chất cơ học và hóa học của bề mặt vật liệu và mối hàn được gia công. Hàn gây ra ứng suất dư trong kết cấu, về lâu dài gây biến dạng kết cấu. Hơn nữa, cường độ ứng suất sẽ tăng lên ở các bộ phận có cấu trúc phức tạp hoặc lớn.

Trong quá trình hàn, khi các kim loại được ghép với nhau, quá trình đông cứng xảy ra ở các mức độ khác nhau dựa trên hàm lượng cacbon trong kim loại, đặc biệt là ở vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn. Ứng suất dư tổng hợp trong kết cấu tăng lên đáng kể do quá trình đông đặc và nóng chảy và độ lớn của ứng suất gần như bằng giới hạn ứng suất đàn hồi của vật liệu cơ bản.

Thông thường, PWHT được sử dụng để giảm ứng suất dư và giảm khả năng xảy ra gãy giòn. Ngoài ra, PWHT cũng có thể dẫn đến tăng cường độ bền vật liệu và giảm độ cứng. Giảm ứng suất và xử lý nhiệt sau gia công là các quy trình PWHT được sử dụng phổ biến nhất. Các yêu cầu về ứng dụng và tiêu chuẩn cũng như môi trường dịch vụ chủ yếu thúc đẩy nhu cầu về PWHT.

Post heating – gia nhiệt hậu gia công

Gia nhiệt hậu gia công hay gia nhiêt sau gia công được sử dụng để giảm khả năng gây nứt do hydro (HIC). HIC thường xảy ra khi mối hàn có cấu trúc vi mô dễ bị ảnh hưởng, mức độ ứng suất cao và/hoặc lượng hydro vừa đủ.

Trong thép ferit, hiện tượng giòn do hydro xảy ra ở nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường. Có thể ngăn chặn vết nứt ở các cấu trúc vi mô dễ bị ảnh hưởng như vậy bằng cách khuếch tán hydro ra khỏi vùng hàn ngay sau khi hàn trước khi thép được làm nguội xuống tới nhiệt độ môi trường.

Thép phải được nung nóng từ nhiệt độ interpass đến nhiệt độ sau gia nhiệt và giữ ở nhiệt độ sau gia nhiệt trong một khoảng thời gian cụ thể. Thông thường, nhiệt độ sau gia nhiệt được duy trì ở mức 230^oC trong một giờ trên mỗi inch độ dày.

Gia nhiệt sau có thể là một yêu cầu bắt buộc vì tiêu chuẩn ASME III và Bộ luật Thanh tra Ủy ban Quốc gia (NBIC) đều có các quy định về vấn đề này.

Hơn nữa, gia nhiệt sau cho các sửa chữa quan trọng cũng thường được yêu cầu, chẳng hạn như đối với các sửa chữa được xác định theo kế hoạch kiểm soát đứt gãy (FCP) dành cho các cấu kiện không được thiết kế thừa tải (non-redundant) của American Association of State Highway and Transportation Officials/Hiệp hội Hàn Hoa Kỳ (AASHTO/AWS) D1.5 Tiêu chuẩn cho mối hàn kết cấu cầu. Tuy nhiên, không cần gia nhiệt sau khi không có các tác nhân gây nứt hydro.

Stress Relieving – Giảm ứng suất

Xử lý nhiệt giảm ứng suất được áp dụng để giảm bớt các ứng suất nội tại trong kết cấu hàn do quá trình sản xuất. Ứng suất dư được giảm bớt bằng cách nung nóng đồng đều cấu trúc đến nhiệt độ đủ cao, sau đó làm nguội cấu trúc trong một khoảng thời gian cụ thể dựa trên độ dày vật liệu và cuối cùng làm nguội cấu trúc một cách đồng đều.

Tuy nhiên, nhiệt độ gia nhiệt phải duy trì trong phạm vi nhiệt độ biến đổi thấp hơn. Ví dụ, thép carbon thường được nung ở nhiệt độ 600 đến 675°C trong một giờ mỗi inch. Do đó, xử lý nhiệt giảm ứng suất làm giảm nguy cơ nứt trong các mối hàn bằng cách giảm độ cứng và tăng độ dẻo của chúng. Những lợi ích chính khác của việc giảm ứng suất PWHT bao gồm cải thiện cấu trúc luyện kim và giảm bớt ứng suất nhiệt.

Tầm quan trọng của PWHT

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Procedia Engineering, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số PWHT, bao gồm thời gian giữ và nhiệt độ giữ, đối với hiệu quả giảm bớt ứng suất dư mối hàn trong tấm thép P91 được hàn bằng chùm tia điện tử để tối ưu hóa quy trình.

Một mô hình tương quan đàn hồi-dẻo đã được phát triển để mô phỏng quá trình hàn tấm, trong khi PWHT được thực hiện bằng cách sử dụng định luật từ biến Norton và ứng suất dư được xác định sau khi đã giảm ứng suất. Nhiệt độ giữ được giữ không đổi ở 770°C và thời gian giữ được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng của thời gian giữ đến độ hồi phục ứng suất dư.

Tương tự, thời gian giữ được giữ không đổi ở mức 1,5 giờ để xác định độ hồi phục ứng suất dư ở 550oC, 650^oC và nhiệt độ duy trì là 770^oC. Các phát hiện đã chứng minh rằng thời gian giữ chỉ tạo ra hiệu quả đáng kể trong tối đa hai giờ và không thấy ứng suất dư giảm tương ứng sau khoảng thời gian đó.

Ngược lại, người ta quan sát thấy độ giãn của ứng suất dư cao hơn khi nhiệt độ giữ tăng lên, cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ giữ cao hơn đáng kể so với thời gian giữ trong độ giãn của ứng suất dư. Tuy nhiên, nhiệt độ lưu giữ tối đa có thể sử dụng cho PWHT là 770^oC, vì nhiệt độ lưu giữ phải duy trì dưới nhiệt độ ban đầu của Austenite.

Nhược điểm của PWHT

Giảm độ bền

Thời gian hoặc nhiệt độ giữ quá cao để giảm ứng suất PWHT có thể làm giảm độ bền của vật liệu. Hơn nữa, phương pháp xử lý ủ cũng có thể làm giảm độ bền của vật liệu đã được tôi. Vì vậy, nhiệt độ và thời gian phải được kiểm soát tốt để tránh giảm độ bền.

Giảm kích thước hoặc biến dạng

Nhiệt độ giảm ứng suất hoặc nhiệt độ ủ làm giảm đáng kể độ bền của vật liệu. Do đó, một bộ phận kết cấu có thể bị vênh hoặc biến dạng nếu nó chịu tải trọng cao trong chu trình PWHT, dẫn đến những hư hỏng nặng nề và tốn kém. Do đó, tất cả các kết cấu tiếp xúc với nhiệt độ cao trong quá trình PWHT phải được đỡ đúng cách để tránh bị biến dạng.

Các nghiên cứu gần đây về PWHT

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Quy trình Sản xuất, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc điều chỉnh xử lý nhiệt trong PWHT lên các tính chất cơ học và vi cấu trúc của các mối hàn vật liệu Super304H và T91.

Hàn khí trơ vonfram được sử dụng với ERNiCr-3 làm chất độn để chế tạo các mối hàn kim loại khác nhau. Sau đó, hai quy trình PWHT, bao gồm ủ trực tiếp sau hàn (PWDT) và thường hóa và ủ sau hàn (PWNT), đã được thực hiện. PWDT được thực hiện trong một giờ ở 760°C, trong khi PWNT được thực hiện trong 30 phút ở 1050°C và sau đó được ủ trong một giờ ở 760°C .

Các phát hiện cho thấy cấu trúc vi mô đồng đều hơn sau PWNT so với PWDT. Hơn nữa, xử lý nhiệt PWDT dẫn đến tạo ra crom-cacbua thô ở các ranh giới hạt, cho thấy khả năng dễ bị ảnh hưởng ở Super304H, trong khi xử lý nhiệt PWNT dẫn đến tạo ra crom-cacbua nhỏ, cho thấy khả năng dễ bị ảnh hưởng bị chậm lại.

Khả năng dễ bị ảnh hưởng của vùng ảnh hưởng nhiệt hạt mịn đối với vết nứt loại IV đã được xác định và loại bỏ thông qua xử lý PWNT ở vật liệu T91. Ngoài ra, cấu trúc vi mô được cải thiện sau khi xử lý PWNT so với xử lý PWDT có mối tương quan tốt với các tính chất cơ học được cải thiện sau khi xử lý PWNT.

Ví dụ: độ dẻo dai, % độ giãn dài, độ bền kéo và ứng suất thử 0,2% đối với PWNT là 132 MJ/m3, 22 %, 691 MPa và 384 MPa tương ứng, trong khi các giá trị của cùng thông số đối với PWDT là 109 MJ/m3, 20%, 649 MPa và 324 MPa tương ứng. Tuy nhiên, người ta đã quan sát thấy sự hư hỏng ở vùng kim loại mối hàn trong cả hai phương pháp xử lý do cacbua liên kim loại niobi/titan thô.

Tóm lại, PWHT là một trong những quá trình quan trọng có thể được sử dụng sau khi hàn để giảm ứng suất dư một cách hiệu quả và cải thiện tính chất cơ học của mối hàn.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

Venkata, K. A., Kumar, S., Dey, H.C., Smith, D.J., Bouchard, P. J., Truman, C. E. (2014) . Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số xử lý nhiệt sau hàn đến sự giảm ứng suất dư hàn trong tấm thép P91 hàn bằng chùm tia điện tử. Kỹ thuật thủ tục, 86, 223-233. ISSN 1877-7058. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.11.032

Kumar, R., Varma, A., Kumar, Y. R., Neelakantan, S., Jain, J. (2022). Nâng cao tính chất cơ học thông qua quy trình xử lý nhiệt sau hàn cải tiến của mối hàn khác loại T91 và Super304H. Tạp chí Quy trình Sản xuất, 78, 59-70. ISSN 1526-6125. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.04.008

Funderburk, R.S. (1998). Các khái niệm chính trong kỹ thuật hàn. Khối lượng đổi mới ngành hàn XV, số 2. http://www.jflf.org/v/vspfiles/ nội dung/pdf/keyconcepts4.pdf

Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT). [Trực tuyến] https://www.welderdestiny.com/post-weld-heat- Treatment.html (Truy cập vào ngày 07 tháng 8 năm 2022)