Tất cả những gì bạn cần biết về vùng ảnh hưởng nhiệt

Nhiệt độ thay đổi kim loại và có thể thay đổi cách bạn tiếp cận việc hình thành nó

Hầu hết các kỹ thuật cắt kim loại tấm đều dựa trên sự nóng chảy cục bộ của vật liệu (xem Hình 1). Khu vực giữa phần nóng chảy và kim loại cơ bản không bị ảnh hưởng trải qua các sửa đổi về cấu trúc và hóa học. Nó được gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

Nó thường có thể được nhận ra bởi một loạt các dải màu sáng, cũng có thể nhìn thấy gần các mối hàn. Màu sắc, gây ra bởi quá trình oxy hóa bề mặt, là một chỉ số gần đúng về nhiệt độ mà kim loại đạt tới (xem Hình 2 ). Ví dụ: bảng này giải thích các màu oxy hóa hình thành trên thép không gỉ Loại 1.4301 (AISI 304) khi nung nóng ngoài trời:

Những màu này, còn được gọi là sắc thái nhiệt, phụ thuộc vào bốn yếu tố:

1. hàm lượng crom thép. Kim loại này làm tăng khả năng chống oxy hóa của vật liệu và do đó màu sắc ít đậm hơn hoặc quá trình hình thành của chúng bị chậm lại.
2. Mức oxy. Trong quá trình hàn, việc sử dụng khí bảo vệ và lớp phủ điện cực có thể làm giảm màu vì chúng che chắn một phần kim loại khỏi quá trình oxy hóa.
3. Tình trạng bề mặt . Nếu bề mặt gồ ghề, nó bị oxy hóa nhanh hơn, gây ra màu sẫm hơn.
4. Chất gây ô nhiễm bề mặt . Các chất như sơn, dầu, rỉ sét và thậm chí cả dấu vân tay có thể làm thay đổi màu nhiệt, nhưng không ảnh hưởng đến sự mở rộng của HAZ.

Trong một số trường hợp, HAZ không gây ra những màu này hoặc thậm chí còn lan ra xa hơn vùng được tô màu.

Nguyên nhân là gì?

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến việc tạo ra HAZ là khả năng khuếch tán nhiệt. Về mặt kỹ thuật, hệ số này phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt, mật độ và nhiệt dung riêng của một chất. Các vật liệu có khả năng khuếch tán nhiệt cao có thể nhanh chóng truyền các biến đổi nhiệt, thay vì tự làm nóng.

Nói cách khác, nếu một vật liệu thể hiện khả năng khuếch tán nhiệt cao, thì vật liệu đó sẽ nguội đi nhanh hơn và HAZ sẽ giảm. Ngược lại, các hệ số thấp hơn có nghĩa là năng lượng không thể bị tiêu hao nhanh chóng và HAZ sẽ rộng hơn. Chẳng hạn, thép không gỉ loại 304A có hệ số khuếch tán nhiệt là 4,2 mm²/s, thấp hơn nhiều so với thép kết cấu (11,72 mm²/s).

Từ quan điểm của quy trình sản xuất, việc mở rộng HAZ phụ thuộc vào ba yếu tố: lượng nhiệt áp dụng, thời gian tiếp xúc và khu vực bị ảnh hưởng . Nếu một lượng lớn năng lượng được cung cấp trong một thời gian dài và với chùm tia rộng hơn, HAZ sẽ lớn hơn.

Điều này giải thích tại sao, bất kể vật liệu nào được cắt, kỹ thuật cắt nào cũng gây ra hiệu ứng khác nhau:

• Cắt xén và cắt bằng tia nước không gây ra HAZ vì chúng không làm tấm kim loại bị nóng quá mức.
• Cắt laser tạo ra HAZ nhỏ nhất trong số tất cả các kỹ thuật cắt nhiệt vì nó áp dụng nhiệt trên một diện tích rất nhỏ.
• Cắt plasma tạo ra HAZ trung gian vì xung plasma rộng hơn chùm tia laze. Dòng điện cao hơn cho phép tốc độ cắt cao hơn, giảm thời gian tiếp xúc và chiều rộng của HAZ.
• Cắt oxyacetylene tạo ra HAZ rộng nhất trong tất cả các hệ thống cắt nhiệt do nhiệt độ cao, tốc độ chậm và ngọn lửa rộng.

Các hiệu ứng là gì?

Quá trình gia nhiệt gây ra bởi quá trình hàn hoặc cắt và quá trình làm nguội nhanh sau đó dẫn đến sự thay đổi cả về hóa học và luyện kim. Quá trình oxy hóa là sự thay đổi đáng chú ý và ngay lập tức nhất, đồng thời nó cũng là nguyên nhân tạo ra các dải màu sáng. Thấm nitơ bề mặt nhẹ cũng có thể xảy ra, dẫn đến tăng độ cứng và giảm khả năng hàn của kim loại.

Một tác động phổ biến khác là ăn mòn, xuất phát từ bản chất nhạy cảm của thép không gỉ. Nhiệt độ cao gây ra sự kết tủa cacbua crom xung quanh ranh giới hạt. Ở những khu vực này, hàm lượng crom giảm xuống dưới 10,5% và thép mất khả năng tạo màng thụ động và mất khả năng không gỉ. Kết quả là cái gọi là ăn mòn giữa các hạt. Trong trường hợp cực đoan, kim loại sẽ chuyển sang màu đen.

Nhiệt độ cao cũng có thể gây ra hiện tượng giòn hydro. Khí khuếch tán qua kim loại và tạo ra áp suất mạnh trong mạng, làm giảm độ bền kéo và độ dẻo dai của nó. Nếu khí hydro không được loại bỏ, nó có thể gây nứt tự phát thậm chí 24 giờ sau khi nung nóng.

Từ quan điểm luyện kim, nhiệt tạo ra sự đông cứng cục bộ. Trong một số trường hợp, thép không gỉ austenit có thể biến thành martensitic, làm tăng độ cứng cũng như độ giòn của nó. Trong các trường hợp khác, kim loại nóng có thể trở nên yếu hơn.

Làm thế nào để đối phó với HAZ?

HAZ có thể làm thay đổi đáng kể thành phần kim loại tấm như công bố của nhà máy cán. Trong quá trình tạo hình, HAZ có thể gây khó khăn cho việc quản lý góc uốn vì không thể đoán trước được kim loại sẽ hoạt động như thế nào sau quá trình cắt sử dụng nhiều nhiệt.

Một trong những hành vi bị ảnh hưởng là springback. Để có được các góc nhất quán với khả năng phục hồi đàn hồi khác nhau, sẽ rất hữu ích khi dựa vào hệ thống kiểm soát góc dựa trên tia laser hoặc tiếp xúc thường thấy trên các phanh ép hiện đại. Các hệ thống dựa trên laser khá phổ biến nhưng gặp vấn đề khi làm việc với các mặt bích nhỏ và bề mặt nhám hoặc bóng. Các hệ thống tiếp xúc chính xác hơn và hoạt động tốt với các khớp nối và mặt bích nhỏ. Tuy nhiên, chúng có khoảng góc giảm đi một chút khi so sánh với các hệ thống dựa trên laser.

Vương miện không chính xác là thủ phạm khác. Mỗi mảnh cắt đều khác nhau và khung máy bị căng theo một cách không thể đoán trước. Vì lý do này, điều quan trọng là phải sử dụng phanh báo chí với hệ thống mão thời gian thực, giúp nó có thể bù cho sự biến dạng của máy. Công nghệ này giúp máy ép phanh có được các góc đều đặn dọc theo toàn bộ chiều dài của biên dạng.

Màu nhiệt gây ra bởi quá trình oxy hóa có thể được loại bỏ bằng giấy nhám mịn hoặc mài đi. Điều này làm lộ lớp bên dưới và kích hoạt quá trình tự thụ động của crom, nhưng có thể dẫn đến sự suy yếu của bộ phận.

Cách duy nhất để loại bỏ toàn bộ phần mở rộng của HAZ là loại bỏ nó đi, nhưng điều đó đi kèm với cái giá phải trả là năng suất vật liệu giảm và cần nhiều lao động cũng như thời gian máy móc hơn để giải quyết khu vực có vấn đề.