Bạn có thể gia công kim loại, nhưng bạn có thể hàn nó không?

Tại sao thép gia công tự do và hàn không trộn lẫn

Giống như tất cả các nhà sản xuất, các nhà chế tạo kim loại thường phải cân nhắc mong muốn của các nhà thiết kế sản phẩm với chi phí sản xuất. Chi phí bao gồm vật liệu, quy trình chế tạo cần thiết, thời gian và công sức cần thiết để thực hiện các bước sản xuất. Khi chế tạo các chi tiết lắp ráp bằng thép cacbon và thép hợp kim, các nhà sản xuất có thể sử dụng thép không gia công để dễ gia công các bộ phận hơn. Tuy nhiên, những loại thép này chứa hàm lượng lưu huỳnh, phốt pho và chì cao, có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng khi hàn.

Đây là lý do tại sao hàn thép không gia công thường không được khuyến khích. Nếu phải hàn một trong những loại thép này, nhà chế tạo có thể thử sử dụng các điện cực có hàm lượng hydro thấp với hệ thống xỉ cơ bản. Đặc tính ít hydro của kim loại mối hàn sẽ làm giảm sự hình thành lỗ xốp hydro sunfua và hệ thống xỉ cơ bản làm giảm hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho của kim loại mối hàn. Dòng điện hàn thấp có thể giúp giảm thiểu sự pha loãng với kim loại cơ bản.

Nhưng không có gì đảm bảo rằng những biện pháp phòng ngừa này sẽ loại bỏ vấn đề. Trên thực tế, đôi khi điều tốt nhất có thể đạt được là giảm mức độ nứt hoặc độ xốp. Mức độ nứt hoặc rỗ có thể chịu được sẽ phụ thuộc vào các điều kiện sử dụng cần thiết và độ tin cậy của mối hàn. Tất nhiên, đối với mối hàn sẽ là một phần của cấu kiện kết cấu chịu lực quan trọng, bất kỳ vết nứt nào cũng không thể chấp nhận được.

Giao tiếp tốt là rất quan trọng. Trong một thế giới lý tưởng, tất cả các bên liên quan đến thiết kế và sản xuất sản phẩm—từ thợ hàn đến kỹ sư sản xuất và nhà thiết kế—nên có ý tưởng cơ bản tại sao không nên hàn thép gia công tự do. Từ đây, các kỹ sư sản xuất và thiết kế nên xác định hành động tốt nhất. Có thể tránh hàn bằng cách sử dụng ốc vít? Nếu không, vật liệu có thể hàn nào thể hiện các đặc tính gia công chấp nhận được và những vật liệu này có đáp ứng các yêu cầu thiết kế không?

Luyện kim cho gia công

Gia công thép carbon thấp liên quan đến một chuỗi các thay đổi luyện kim. Đầu tiên, các lỗ nhỏ bắt đầu hình thành, sau đó phát triển và kết hợp lại. Từ đó, các vết nứt nhỏ hình thành, tiếp theo là vết nứt dẻo và hình thành phoi kim loại.

Trong thép có chứa lưu huỳnh, lưu huỳnh kết hợp với mangan để tạo thành các tạp chất mangan sunfua (MnS) (xem Hình 1 ). Các tạp chất này tăng cường sự hình thành các lỗ rỗng siêu nhỏ trong thép trong quá trình gia công, dẫn đến sự hình thành các phoi gãy thay vì phoi liên tục. Tuy nhiên, thép thường được chỉ định với tối đa chỉ 0,050 phần trăm lưu huỳnh, vì khả năng hàn của thép giảm khi hàm lượng lưu huỳnh tăng. Vì vậy, số lượng tạp chất MnS là nhỏ.

Mặt khác, thép gia công tự do có hơn 0,050% lưu huỳnh. Thép tái lưu huỳnh thường có hàm lượng lưu huỳnh từ 0,08 đến 0,13% và một số loại có hàm lượng lưu huỳnh cao tới 0,35%. Lưu huỳnh bổ sung dẫn đến nhiều tạp chất MnS hơn trong thép, tăng cường sự hình thành các lỗ rỗng nhỏ trong quá trình gia công.

Phốt pho và chì cũng có thể được thêm vào thép carbon thấp tái lưu huỳnh. Thép carbon tiêu chuẩn có không quá 0,040 phần trăm phốt pho. Tuy nhiên, trong thép gia công tự do được tái phốt pho hóa, hàm lượng phốt pho là 0,04 đến 0,12 phần trăm.

Phốt pho làm tăng cường độ và độ cứng của pha ferit trong thép. Trong một số hoạt động, điều này thúc đẩy quá trình phá vỡ phoi hơn là hình thành các phoi dài, xơ xác. Tuy nhiên, phốt pho quá mức làm suy yếu các đặc tính gia công, đồng thời làm giảm độ dẻo của thép khi cán và độ bền va đập của rãnh khía.

Chì bổ sung cho thép gia công tự do thường nằm trong khoảng 0,15 đến 0,35 phần trăm. Chì có trong thép dưới dạng các hạt mềm làm tăng khả năng hình thành các lỗ rỗng siêu nhỏ trong quá trình gia công.

Tại sao vấn đề hàn xảy ra

Thép gia công tự do với lưu huỳnh và phốt pho có khả năng hàn tương đối kém vì các vết nứt có thể hình thành trong giai đoạn cuối của quá trình hóa rắn mối hàn. Các vết nứt phát sinh do sự có mặt của MnS lỏng và các hợp chất phốt pho tại ranh giới hạt kim loại mối hàn. Những vật liệu này có điểm nóng chảy thấp hơn các nguyên tố khác trong thép. Khi kim loại mối hàn nguội đi và đông đặc lại, ứng suất sẽ hình thành trên mối hàn do co ngót. Tuy nhiên, các hợp chất nhiệt độ nóng chảy thấp vẫn nóng chảy. Do đó, các hạt bị xé toạc dưới ứng suất co ngót. Hàm lượng lưu huỳnh cao cũng thúc đẩy độ xốp của kim loại mối hàn.

Lượng lưu huỳnh và phốt pho bình thường không thúc đẩy vết nứt kim loại mối hàn. Thép carbon trơn chứa ít hơn 0,30% carbon và 0,05% lưu huỳnh có thể được hàn dễ dàng bằng hầu hết các phương pháp mà không cần các biện pháp đặc biệt. Thép carbon trung bình (0,30 đến 0,60 phần trăm carbon) có thể được hàn hồ quang thành công nếu thực hiện các biện pháp phòng ngừa phù hợp.

Đôi khi chì có thể gây ra độ xốp và giòn của mối hàn, nhưng mối lo ngại chính đối với nguyên tố này liên quan đến khói hàn. Là một nguyên tố độc hại, chì tan chảy nhanh chóng trong quá trình hàn và có thể bay hơi thành khói hàn.

Khả năng gia công và khả năng hàn

Giải pháp tốt nhất thường liên quan đến việc lựa chọn một hợp kim thép carbon tiêu chuẩn có thành phần, cấu trúc tế vi và độ cứng cân bằng giữa khả năng gia công chấp nhận được với khả năng hàn dễ dàng, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm. Các vấn đề về gia công có thể là nguyên nhân chính gây đau đầu, đó là lý do tại sao thép gia công tự do trông rất hấp dẫn. Nhưng có nhiều cách để đạt được khả năng gia công chấp nhận được mà không cần bổ sung lưu huỳnh, phốt pho hoặc chì.

Để hiểu những gì hỗ trợ quá trình gia công, nó giúp biết một số luyện kim cơ bản. Các pha luyện kim có trong thép cacbon thấp và trung bình thường bao gồm ferit và xi măng hình cầu, hoặc ferit và ngọc trai. Ferit là vật liệu mềm và xi măng là vật liệu cứng (xem Hình 2). Pearlite là một hỗn hợp bao gồm các tấm ferit và xi măng. Lượng xi măng hoặc ngọc trai trong thép tăng lên khi hàm lượng cacbon tăng lên.

Một số phương pháp xử lý nhiệt khác nhau được sử dụng để thu được các vi cấu trúc khác nhau này. Bình thường hóa và ủ hoàn toàn dẫn đến ferit và ngọc trai. Quá trình ủ hình cầu có thể thu được ferit và xi măng hình cầu.

Trong một trung tâm gia công, ferit có thể được cắt dễ dàng và ít gây mài mòn dụng cụ. Tuy nhiên, do độ cứng thấp nên nó góp phần hình thành gờ tích hợp (BUE) trên dụng cụ cắt. Các hạt xi măng rất cứng và số lượng lớn của chúng có thể gây mài mòn đáng kể cho dụng cụ cắt. Pearlite cứng hơn ferrite và thường cũng gây mài mòn dụng cụ, với độ mài mòn tăng lên khi khoảng cách giữa các tấm Pearlite giảm. Tuy nhiên, BUE trên dụng cụ cắt ít phổ biến hơn khi gia công ngọc trai so với khi gia công ferit. Trong số các loại thép được thường hóa và ủ, những loại có độ cứng thấp hơn và lượng ngọc trai nhỏ hơn có thể được gia công ở tốc độ cao hơn mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của dụng cụ cắt.

Khả năng gia công của thép carbon thấp khi được cán hoặc ủ được cải thiện khi tăng hàm lượng ngọc trai và kích thước hạt ferrite nhỏ hơn. Điều này xảy ra bởi vì cấu trúc vi mô này thúc đẩy sự hình thành lỗ rỗng nhỏ ở giao diện giữa ngọc trai và ferit. Một lần nữa, những lỗ nhỏ đó thúc đẩy quá trình tạo phoi hiệu quả dưới dụng cụ cắt.

Khả năng gia công tối đa của thép carbon thấp đạt được ở mức 0,15 đến 0,25 phần trăm carbon trong điều kiện cán hoặc ủ. Với thép các-bon trung bình, thường hóa hoặc ủ kết hợp với kéo nguội giúp tăng nhẹ khả năng gia công so với thép kéo nguội khi cán nguội.

Gia công nguội làm tăng độ cứng của ferit, dẫn đến chiều dài phoi ngắn hơn và ít BUE hơn trên dụng cụ cắt. Tuy nhiên, sử dụng thép gia công nguội có thể yêu cầu xử lý nhiệt giảm ứng suất trước khi gia công để giảm thiểu biến dạng.

Đạo luật cân bằng

Cũng như rất nhiều thứ khác trong sản xuất, việc tìm kiếm loại thép phù hợp là một hành động cân bằng từ cả góc độ luyện kim và tài chính. Mục tiêu là tìm ra một loại thép có thể hàn được cho phép dụng cụ cắt của trung tâm gia công cắt bỏ phoi nhỏ một cách hiệu quả. Chọn thép có khả năng gia công chấp nhận được mà không dựa vào các loại gia công tự do có thể làm tăng chi phí vật liệu. Nhưng những chi phí gia tăng đó có thể dễ dàng được bù đắp bằng việc giảm các vấn đề về hàn.

Có, thép gia công tự do sẽ có các thuộc tính về khả năng gia công tốt hơn thép tiêu chuẩn. Đây là lý do tại sao phân tích đánh đổi nên xác định chi phí thấp nhất trong khi đáp ứng hoặc vượt yêu cầu về khả năng gia công, khả năng hàn và độ tin cậy của sản phẩm.