Chuẩn bị mối hàn đúng cách, kim loại phụ tạo nên sự khác biệt
Sự phát triển của thép không gỉ không gỉ với các thuộc tính riêng biệt bao gồm các mức độ khác nhau về khả năng chống ăn mòn, độ bền và khả năng gia công đã mang lại lợi ích to lớn cho người sử dụng thép. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng làm cho việc hàn thép không gỉ trở nên phức tạp hơn so với hàn thép carbon truyền thống.
Mọi người thường ngạc nhiên khi biết rằng có nhiều loại thép không gỉ. Thép không gỉ ban đầu, được giới thiệu bởi Harry Brearley vào năm 1913, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn nhiều so với thép cacbon tiêu chuẩn, nhưng với chi phí là độ dẻo thấp hơn. Trong những năm kể từ đó, các nhà luyện kim thử nghiệm với các lượng vật liệu hợp kim khác nhau đã nâng cao hiệu suất thép không gỉ theo nhiều cách khác nhau.
Kỹ thuật cần thiết để hàn thép không gỉ không khác nhiều so với yêu cầu để hàn thép carbon tiêu chuẩn, với hai ngoại lệ. Đầu tiên, bạn phải cẩn thận và kiểm soát nhiều hơn đối với việc làm nóng và làm mát thép không gỉ. Thứ hai, điều quan trọng hơn là phải khớp đúng kim loại phụ với vật liệu được hàn.
Các loại thép không gỉ
Năm loại thép, mỗi loại có nhiều biến thể, nằm dưới chiếc ô thép không gỉ. Tất cả đều được phân loại dựa trên cấu trúc vi mô của chúng (kết quả của cả hóa học và cách thức mà thép được nung nóng và hoạt động). Cấu trúc vi mô có ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ dẻo và các thuộc tính vật lý và hóa học khác của thép.
Ba loại thép không gỉ thường được tìm thấy nhất trong các cửa hàng chế tạo tiêu chuẩn. Thép không gỉ Austenitic có lẽ được sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt là trong các ứng dụng gia công và chế tạo điển hình. Thép không gỉ martensitic cứng thường được sử dụng trong các ứng dụng chịu mài mòn cao như bề mặt cứng. Thép không gỉ Ferritic ít tốn kém hơn so với các dạng không gỉ khác, làm cho nó trở thành sản phẩm yêu thích cho các sản phẩm tiêu dùng như các thành phần ống xả ô tô.
Loại thứ tư, thép không gỉ song công , là sự kết hợp của vi cấu trúc austenit và ferit, làm cho nó bền hơn một trong hai thành phần của nó nhưng cũng khó gia công hơn. Cuối cùng, thép không gỉ làm cứng kết tủa bao gồm các nguyên tố hợp kim khác, chẳng hạn như niobi, làm tăng cả độ bền và chi phí. Cả thép không gỉ làm cứng kết tủa và làm cứng kết tủa đều là những loại đặc biệt được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng hiệu suất cao, chẳng hạn như ngành công nghiệp chế biến và hàng không vũ trụ, và chúng tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết về chúng.
Chuẩn bị hàn
Như trong bất kỳ loại hàn nào, điều quan trọng là phải làm sạch thép không gỉ trước khi hàn. Tuy nhiên, điều bạn có thể không nhận ra là tầm quan trọng của việc sử dụng các công cụ, chẳng hạn như búa và bàn chải, chỉ trên thép không gỉ vì vật liệu này nhạy cảm như thế nào với sự hiện diện của bất kỳ loại thép cacbon nào. Ví dụ: nếu bạn sử dụng bàn chải thép không gỉ để làm sạch thép carbon, thì không được sử dụng lại bàn chải đó trên bất kỳ loại thép không gỉ nào. Điều này cũng đúng với búa và kẹp không gỉ. Tại sao? Bởi vì một lượng nhỏ thép carbon có thể được nhúng trong thép không gỉ, khiến nó bị rỉ sét.
Tương tự như vậy, mài thép carbon gần với thép không gỉ có thể dẫn đến các vấn đề. Bụi thép carbon lơ lửng trong không khí có thể rơi xuống thép không gỉ gần đó và dẫn đến rỉ sét. Đây là lý do tại sao nên tách biệt các khu vực làm việc bằng thép carbon và thép không gỉ.
Yếu tố quan trọng khác trong việc chuẩn bị hàn là đảm bảo bạn có vật liệu độn phù hợp, nghĩa là biết loại vật liệu cơ bản mà bạn đang hàn. Trong nhiều trường hợp, nó dễ dàng như sử dụng kim loại phụ có cùng số với kim loại cơ bản. Ví dụ: nếu bạn đang nối hai miếng kim loại cơ bản 316L, bạn sẽ sử dụng kim loại phụ 316L.
Tất nhiên, có những tình huống không đơn giản như vậy, chẳng hạn như khi bạn nối các kim loại khác nhau hoặc khi bạn thực hiện một lớp phủ.
Thép không gỉ austenit
Là loại thép không gỉ phổ biến nhất được sử dụng trong các cửa hàng chế tạo, thép không gỉ austenit được xác định là dòng 300. Mặc dù các vật liệu cơ bản này không yêu cầu gia nhiệt trước, nhưng chúng có nhiệt độ giữa các lớp tối đa. Khi kim loại cơ bản đạt đến 350 độ F, chẳng hạn như khi bạn thực hiện nhiều lần hàn, bạn cần ngừng hàn và để vật liệu nguội đi.
Một số thép không gỉ sê-ri 300 được gọi là thép austenit hoàn toàn—310, 320 và 330. Bạn phải quản lý những thứ này một cách cẩn thận để tránh bị nứt bằng cách sử dụng quy trình cung cấp nhiệt thấp và bằng cách tạo các mối hàn lồi. Nếu bạn thực hiện một mối hàn phẳng hoặc lõm trên những vật liệu này, nó sẽ dễ bị nứt.
Một tham số khác cần xem xét là thành phần của vật liệu cơ bản và kim loại phụ. Hãy xem xét thép không gỉ 316L. Loại có chữ “L” trong tên thường được giới hạn ở nhiệt độ từ 800 độ F trở xuống trong hầu hết các ứng dụng, nhưng chữ L không có nghĩa là nhiệt độ thấp. Nó chỉ định hàm lượng carbon thấp, thường là 0,03 phần trăm carbon.
Như đã đề cập trước đó, kim loại phụ thích hợp để sử dụng với kim loại cơ bản này có cùng ký hiệu, 316L. Tuy nhiên, đừng nghĩ rằng khớp với số kim loại cơ bản là đủ. Bạn có thể có sẵn một số kim loại phụ 316L, nhưng điều đó không có nghĩa là bạn có thể sử dụng nó để hàn kim loại cơ bản 316H. “H” là viết tắt của hàm lượng carbon cao và mặc dù nó sẽ hàn tốt trên kim loại cơ bản 316L, nhưng nó sẽ không giữ được sau khi chi tiết hàn được đưa vào sử dụng.
Loại không gỉ austenit phổ biến nhất là 304, nhưng việc chọn kim loại phụ để sử dụng với kim loại cơ bản này hơi khó khăn hơn một chút vì không có kim loại phụ 304. Thay vào đó, kim loại phụ được sử dụng trong trường hợp này là 308L. Nó có tính chất hóa học hơi khác cho phép kim loại phụ trải qua quá trình hóa rắn và làm nguội nhanh chóng liên quan đến quá trình hàn mà không bị nứt.
Một ví dụ khác là kim loại cơ bản 321, bao gồm một lượng nhỏ titan. Tuy nhiên, bất kỳ titan nào trong kim loại phụ sẽ bị đốt cháy trong quá trình hàn. Trong trường hợp này, chất độn phù hợp là 347, có tính chất hóa học tương tự như 321 nhưng titan được thay thế bằng niobi.
May mắn thay, hầu hết các loại kim loại phụ và kim loại cơ bản đều giống nhau. Nếu bạn có thắc mắc về việc nên sử dụng loại nào, các công ty cung cấp máy hàn luôn sẵn lòng giúp bạn xác nhận lựa chọn của mình hoặc xác định các kết hợp lạ hơn.
Thép không gỉ Mactenxit
Các loại thép không gỉ martensitic được sử dụng ít hơn để nối hơn là lớp phủ và để xây dựng vật liệu chịu mài mòn. Chúng thường có nhiệt độ giao nhau tối thiểu.
Một ứng dụng phổ biến cho loại vật liệu này là trẻ hóa các cuộn thép được sử dụng trong các nhà máy đúc liên tục. Khi các cuộn mòn quá một điểm nhất định, chúng sẽ được tái tạo bề mặt bằng cách sử dụng dây martensitic. Trước khi bắt đầu hàn trên cuộn, một mỏ hàn hoặc bộ gia nhiệt điện trở được sử dụng để làm nóng cuộn đến 400 đến 600 độ F. Khi quá trình hàn bắt đầu, nhiệt độ không được phép giảm xuống dưới nhiệt độ làm nóng trước đó. Martensitic không gỉ trở nên rất cứng và giòn khi nguội, điều này rất tốt cho khả năng chống mài mòn nhưng lại khó hàn khi chúng được chế tạo. Duy trì trên nhiệt độ giao nhau tối thiểu giữ cho khu vực xung quanh mối hàn không bị hạ nhiệt quá nhanh.
Khi hàn thép không gỉ martensitic, điều bắt buộc là bạn phải đạt được nhiệt độ làm nóng trước chính xác và duy trì nhiệt độ giữa các lớp tối thiểu trong toàn bộ thời gian bạn hàn. Nếu không, bạn có khả năng bị nứt.
Cũng như nhiều loại thép không gỉ khác, nếu bạn đang kết hợp các kim loại cơ bản martensitic, bạn có thể sẽ sử dụng kim loại phụ có cùng số. Trong một số ứng dụng, kim loại phụ bằng thép không gỉ austenit có thể được sử dụng để nối. Đối với các lớp phủ thường được đặt trên thép carbon, 410 là lựa chọn kim loại phụ tiêu chuẩn. Nhưng bất kể loại công việc nào, chìa khóa thành công trong việc hàn bằng kim loại phụ martensitic là làm nóng trước thích hợp và làm nguội chậm sau đó.
Thép không gỉ Ferritic
Các ứng dụng ô tô sử dụng thép không gỉ ferit nhất. Hai loại phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng này là 409 và 439. Thép không gỉ Ferritic thường có độ dày từ ¼ in trở xuống, vì vậy hầu hết việc hàn bằng vật liệu này được thực hiện trong một lần hàn. Điều này là tốt vì hàn thép không gỉ ferritic thành công nhất với đầu vào nhiệt thấp và nhiệt độ giao nhau tối đa là 300 độ F.
Nếu bạn vi phạm nguyên tắc đó, bạn sẽ biết điều đó sớm thôi. Ở đầu vào nhiệt độ cao, vật liệu bắt đầu trải qua sự phát triển của hạt và có thể nhanh chóng mất đi sức mạnh. Trong ứng dụng ít phổ biến hơn là hàn thép không gỉ ferritic dày hơn, hãy đặc biệt cẩn thận để hạn chế nhiệt đầu vào. Bên cạnh đó, hãy khớp cấp vật liệu phụ với cấp kim loại cơ bản và các mối hàn của bạn sẽ hoạt động tốt.
Thép không gỉ kép
Quá nhiều nhiệt cũng ảnh hưởng xấu đến thép không gỉ song công, do thành phần hóa học của vật liệu phức tạp hơn. Hãy nhớ rằng, loại thép không gỉ này có các thành phần của cả thép không gỉ austenit và ferritic, điều này cũng làm cho việc lựa chọn kim loại phụ trở nên khó khăn hơn một chút. Nhiều loại kim loại cơ bản không gỉ song công không có sẵn dưới dạng kim loại phụ phần lớn là do kim loại phụ nguội nhanh hơn nhiều so với kim loại cơ bản. Điều chỉnh hóa học một chút cho phép mối hàn có độ bền và tính chất vật liệu tương tự như kim loại cơ bản.
Một ví dụ là kim loại cơ bản 2205, một loại thép không gỉ song công bao gồm một số niken. Kim loại phụ mà bạn sẽ sử dụng với loại đó là 2209, vì nó tạo ra mối hàn có lượng ferit và austenit tương tự như kim loại cơ bản, tránh được các vấn đề về hàn. Một ví dụ khác là kim loại cơ bản 2507, mà bạn sẽ hàn với kim loại phụ 2594.
Các bộ phận sản xuất hàn thường yêu cầu một số loại quy trình hàn, bao gồm kiểm tra các mối hàn và phê duyệt nêu rõ chi tiết cách tạo mối hàn. Quy trình nêu chi tiết không chỉ kim loại phụ được sử dụng, mà còn bất kỳ yêu cầu nào về nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ chuyển tiếp. Tuy nhiên, khi bạn thấy mình đang hàn một dự án bằng thép không gỉ song công, bạn có thể cần một số hướng dẫn trong việc lựa chọn kim loại phụ.
Hàn kim loại cơ bản hỗn hợp hoặc không xác định
Đôi khi bạn có thể cần phải hàn các kim loại khác nhau hoặc các kim loại cơ bản chưa biết, chẳng hạn như khi sửa chữa hiện trường. May mắn thay, kim loại phụ đã được phát triển với các hóa chất được thiết kế đặc biệt cho những tình huống như vậy. Ví dụ, không có gì lạ khi muốn kết hợp thép không gỉ 304L và thép carbon. Trong trường hợp đó, hãy xem xét vật liệu độn 309L, đây có thể là lựa chọn tốt cho các kim loại khác nhau lên đến khoảng 750 độ F.
Nếu bạn không chắc chắn về thành phần kim loại cơ bản, hãy xem xét một trong các điện cực được phát triển đặc biệt để sửa chữa, chẳng hạn như điện cực không gỉ 312. Được bán trên thị trường dưới nhiều tên thương mại khác nhau để quảng cáo khả năng tương thích toàn diện của chúng, các điện cực dùng cho tất cả các mối hàn này có các hóa chất có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và độ dẻo tốt. Chúng cũng tương thích với hầu hết các loại kim loại cơ bản. Và thực tế là, 312 điện cực và những điện cực khác giống như chúng thực hiện công việc. Nhược điểm là chúng có thể đắt gấp ba đến bốn lần so với dây hàn hồ quang kim loại bằng khí tiêu chuẩn (GMAW). Tuy nhiên, khi hiệu suất được tính đến và bạn muốn tin tưởng vào thành công, thì nó rất đáng giá.
Khi hàn thép không gỉ, trước tiên hãy nhớ tìm kim loại phụ giống với kim loại cơ bản. Nếu bạn gặp khó khăn trong việc tìm kiếm một vật liệu phù hợp chính xác, hãy tham khảo ý kiến của công ty cung cấp vật liệu hàn của bạn để tìm vật liệu phù hợp. Và khi có câu hỏi về thành phần kim loại cơ bản nhưng bạn vẫn cần đảm bảo khả năng tạo ra mối hàn tốt, hãy biết rằng có sẵn các điện cực sửa chữa chuyên dụng sẽ giúp bạn thực hiện công việc và thực hiện tốt.
Kiểm tra nhiệt độ vật liệu, mối hàn
Khi bạn hàn thép không gỉ, điều quan trọng là phải theo dõi nhiệt độ cho cả kim loại hàn và kim loại cơ bản. Nếu bạn không duy trì được trong phạm vi nhiệt độ đã chỉ định, có thể bạn sẽ gặp vấn đề về hiệu suất. Có ba cách bạn có thể kiểm tra nhiệt độ của thép khi hàn:
- Các que chỉ báo nhiệt độ đã có một lịch sử lâu dài về việc xác nhận chính xác nhiệt độ. Tuy nhiên, chúng có phạm vi giới hạn và cần có các que khác nhau cho từng nhiệt độ mục tiêu.
- Nhiệt kế hồng ngoại điện tử cảm nhận nhiệt độ bề mặt của thép một cách nhanh chóng và từ xa. Chúng yêu cầu một tầm nhìn rõ ràng, điều này thường không phải là vấn đề. Các bề mặt sáng bóng và các điều kiện liên quan đến ánh sáng khác có thể dẫn đến kết quả đọc sai, cũng như sự thay đổi về khoảng cách so với bề mặt. Nhưng hầu hết những người sử dụng loại thiết bị này đã học cách thích nghi với những điều kỳ quặc như vậy.
- Đầu dò nhiệt độ bề mặt điện tử cung cấp phương tiện thứ ba để theo dõi nhiệt độ. Chúng có tay cầm với các độ dài khác nhau cho phép bạn chạm vào kim loại để đọc. Một số cũng có thể được gắn trên phôi. Đây là một thiết lập lý tưởng khi chạy thử mối hàn vì nó cho phép bạn theo dõi nhiệt độ liên tục và thậm chí in biểu đồ nhiệt độ kim loại trong suốt thời gian hàn.