Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 1

NHỮNG ĐIỀU CẦN BIẾT VỀ MỘT QUI TRÌNH HÀN

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong phạm vi công nghiệp hàn, thuật ngữ "Đặc điểm kỹ thuật qui trình hàn (Welding Procedure Specification)" hoặc WPS được sử dụng để biểu hiện sự kết hợp của các biến được sử dụng để tạo ra một mối hàn nhất định. Thuật ngữ "Qui trình hàn (Welding Procedure)" hoặc đơn giản "Qui trình (Procedure)" có thể được sử dụng. Ở mức tối thiểu WPS bao gồm :

-        Quá trình, ví dụ như SMAW (Shielded Metal Arc Welding), GMAW (Gas Metal Arc Welding), FCAW (Flux Cored Arc Welding), vv…;

-          Đặc điểm kỹ thuật điện cực, ví dụ như AWS A5.1, A5.20, vv…;

-          Phân loại điện cực, ví dụ như E7018, E71T-1, vv…;

-          Đường kính điện cực, ví dụ như 1/8 in., 5/32 in., vv…;

-          Đặc tính về điện (AC, DC+, DC-);

-          Đặc điểm kỹ thuật kim loại cơ bản, ví dụ như A36, A572 Gr50, vv…;

-          Nhiệt độ nung nóng trước tối thiểu và nhiệt độ lớp giữa;

-          Dòng điện hàn /Tốc độ cung cấp dây;

-          Điện áp hồ quang;

-          Tốc độ dịch chuyển hay tốc độ hàn;

-          Vị trí hàn;

-          Sử lý nhiệt sau hàn (PWHT);

-          Loại khí bảo vệ và lưu lượng;

-          Chi tiết thiết kế liên kết;

Qui trình hàn là sự phối hợp của các biến số. Nó vạch ra các bước cần thiết để tạo ra một mối hàn chất lượng theo điều kiện cụ thể.

SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHỮNG BIẾN SỐ

Những ảnh hưởng của các biến phần nào phụ thuộc vào quá trình hàn đang được sử dụng, nhưng xu hướng chung áp dụng cho tất cả các quá trình. Điều quan trọng là phải phân biệt sự khác biệt giữa dòng điện không đổi (CC) và điện áp không đổi (CV) của hệ thống nguồn điện hàn. Hàn hồ quang kim loại bảo vệ (SMAW) luôn được thực hiện với một hệ thống CC, trong khi đó hàn dây lõi thuốc (FCAW) và hàn hồ quang kim loại khí bảo vệ (GMAW) thường được thực hiện với hệ thống CV. Hồ quang chìm (SAW) có thể sử dụng một trong hai.

Cường độ dòng điện (Amperage)là thước đo giá trị cường độ dòng điện chảy qua điện cực và chi tiết. Nó là biến số đầu tiên xác định nhiệt cung cấp vào. Về nguyên tắc, sự tăng lên cường độ dòng điện tạo ra định mức kết tủa cao hơn, sự thâm nhập sâu hơn, và sự pha trộn hỗn hợp cao hơn. Dòng điện chảy qua mạch điện là hoàn toàn đo được. Nó có thể được đo với Ampe kìm hoặc với sử dụng mạch điện mắc song song (Shunt). Vai trò của cường độ dòng điện được hiểu tốt nhất trong bối cảnh nhiệt đầu cung cấp vào và mật độ dòng điện xem xét. Đối với hàn điện áp không đổi (CV) sự tăng lên của tốc độ cung cấp dây sẽ trực tiếp tăng cường độ dòng điện. Đối với hàn hồ quang tay (SMAW) trên hệ thống cường độ dòng điện không đổi (CC), việc thiết lập máy xác định cường độ dòng điện cơ bản, thông qua sự thay đổi của chiều dài hồ quang (được điều khiển bởi thợ hàn) sẽ dẫn đến thay đổi cường độ dòng điện. Chiều dài hồ quang dài hơn làm giảm cường độ dòng điện.

Điện áp hồ quang (Arc voltage)là liên quan trực tiếp đến chiều dài hồ quang. Khi tăng điện áp, chiều dài hồ quang tăng lên, cũng như nhu cầu về che chắn hồ quang. Đối với hàn CV, điện áp được xác định chủ yếu bởi thiết lập của máy, do đó chiều dài hồ quang tương đối cố định trong hàn CV. Tuy nhiên, đối với SMAW trên hệ thống CC, điện áp hồ quang được xác định bởi chiều dài hồ quang, chúng phụ thuộc vào các thợ hàn. Khi chiều dài hồ quang tăng lên với SMAW, điện áp hồ quang cũng sẽ tăng lên, và cường độ dòng điện sẽ giảm xuống. Điện áp hồ quang cũng ảnh hưởng tới chiều rộng của đường hàn, với điện áp cao hơn tạo ra đường hàn rộng hơn. Điện áp hồ quang có ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán nhiệt đưa vào.

Điện áp trong một mạch hàn là không đổi, nhưng bao gồm một loạt các sụt giảm điện áp. Hãy xem xét ví dụ sau: giả sử nguồn điện cung cấp một hệ thống điện áp tổng cộng 40 volt. Giữa nguồn điện và đầu mỏ hàn hoặc súng hàn, có sự sụt giảm điện áp là 3 volt liên quan đến trở kháng cáp đầu vào. Từ điểm kẹp nối chi tiết tới đầu nối nguồn điện hàn, có một sụt giảm điện áp bổ sung khoảng chừng 7 volt. Như vậy trừ 3 volt và 7 volt từ điện áp ban đầu 40 volt, điện áp cho hồ quang là 30 volt. Ví dụ này cho thấy tầm quan trọng là phải đảm bảo rằng các điện áp được sử dụng cho việc giám sát qui trình hàn phải xem xét bất kỳ tổn thất trong mạch hàn. Cách chính xác nhất để xác định điện áp hồ quang là đo sự sụt giảm điện áp giữa đầu tiếp xúc và chi tiết. Tuy nhiên, điều này có thể không được thực tế cho hàn bán tự động, vì vậy điện áp thường được đọc từ một điểm trên bộ cung cấp dây (nơi kết nối súng và cáp được thực hiện), tới chi tiết. Đối với hàn SMAW, điện áp thường không được kiểm soát, vì nó bị thay đổi liên tục và không thể kiểm soát được ngoại trừ thợ hàn. Các thợ hàn lành nghề giữ chiều dài hồ quang ngắn để cung cấp mối hàn chất lượng tốt nhất.

Tốc độ di chuyển hay tốc độ hàn (Travel speed), đo bằng inch mỗi phút hoặc m trên mỗi phút, là tốc độ mà tại đó điện cực được di chuyển tương đối so với liên kết. Tất cả các biến khác không đổi, tốc độ di chuyển có tác dụng ngược lại với kích thước của các đường hàn. Khi tốc độ di chuyển tăng lên, kích thước mối hàn sẽ giảm. Tốc độ di chuyển rất thấp có thể dẫn đến sự thâm nhập bị giảm xuống, như vậy hồ quang có ảnh hưởng tới chiều dày lớp kim loại nóng chảy và vũng hàn phía trước của hồ quang. Tốc độ di chuyển là một biến quan trọng được sử dụng trong tính toán nhiệt cung cấp vào, giảm tốc độ di chuyển làm tăng nhiệt cung cấp vào.

Tốc độ cung cấp dây (Wire feed speed) là thước đo tốc độ mà điện cực đi qua súng hàn và cung cấp tới hồ quang. Thường được đo bằng inch mỗi phút (ipm - inches per minute), định mức kết tủa là tỷ lệ thuận với tốc độ cung cấp dây, và liên quan trực tiếp đến cường độ dòng điện. Khi tất cả các điều kiện hàn được giữ nguyên không thay đổi (ví dụ, cùng một loại điện cực, đường kính, điện áp hồ quang, và thò ra điện cực, vv…), sự tăng lên tốc độ cung cấp dây sẽ trực tiếp dẫn đến sự tăng lên cường độ dòng điện. Đối với tốc độ cung cấp dây chậm hơn, tỷ số tốc độ cung cấp dây với cường độ dòng điện là quan hệ không đổi và tuyến tính. Đối với tốc độ cung cấp dây cao hơn, tỷ số này có thể tăng lên, dẫn đến định mức kết tủa cao hơn cho mỗi ampe, nhưng phải trả giá của sự thâm nhập.

Tốc độ cung cấp dây là phương pháp ưa thích của việc duy trì quy trình hàn cho các quá trình cung cấp dây điện áp không đổi. Tốc độ cung cấp dây có thể được điều chỉnh một cách độc lập, và đo trực tiếp, không phụ thuộc vào các điều kiện hàn khác. Có thể sử dụng cường độ dòng điện thay thế cho tốc độ cung cấp dây mặc dù cường độ dòng điện có thể thay đổi đối với mỗi tốc độ cung cấp đã cho, tùy thuộc vào sự phân cực, đường kính điện cực, loại điện cực, và sự thò ra điện cực. Mặc dù các thiết bị đã có sẵn bộ theo dõi tốc độ cung cấp dây từ hai mươi năm, nhưng một vài Code ví dụ như AWS D1.1 tiếp tục thừa nhận cường độ dòng điện là phương pháp chính đối với tài liệu hướng dẫn qui trình hàn. D1.1 không cho phép sử dụng điều khiển tốc độ cung cấp dây thay cho cường độ dòng điện, người ta cung cấp sẵn biểu đồ quan hệ giữa tốc độ cung cấp dây - cường độ dòng điện để so sánh. Các tờ đặc điểm kỹ thuật được cung cấp bởi các nhà sản xuất kim loại điền đầy cung cấp dữ liệu trợ giúp các mối quan hệ.

Thò ra điện cực (Electrode extension), cũng được hiểu là “electrical stickout” hoặc ESO, là khoảng cách từ đầu tiếp xúc đến cuối của điện cực. Nó chỉ áp dụng cho các quá trình hàn cung cấp dây. Khi phần thò ra điện cực được tăng lên trong một hệ thống điện áp không đổi, điện trở của điện cực tăng, làm cho điện cực được nung nóng. Điều này được hiểu là nhiệt điện trở hoặc "I²R". Khi lượng nhiệt nung nóng điện cực tăng lên, năng lượng hồ quang cần thiết để làm nóng chảy điện cực giảm xuống. Thò ra điện cực còn có thể được khuyến nghị để đạt được định mức kết tủa cao hơn với cường độ dòng điện đã cho. Khi phần thò ra điện cực được tăng mà không có bất kỳ sự thay đổi về tốc độ cung cấp dây, cường độ dòng điện sẽ giảm xuống. Điều này dẫn đến độ thâm nhập ít hơn và sự pha trộn ít hơn. Với sự tăng lên về thò ra điện cực, người ta thường tăng thiết lập điện áp máy để bù đắp cho sự sụt giảm điện áp lớn hơn trên điện cực.

Trong các hệ thống điện áp không đổi, có thể đồng thời tăng cả hai ESO và tốc độ cung cấp dây một cách cân bằng để dòng điện vẫn không đổi. Khi điều này được thực hiện, định mức kết tủa cao hơn là đạt được. Các biến hàn khác như điện áp và tốc độ di chuyển phải được điều chỉnh để duy trì một hồ quang ổn định và đảm bảo chất lượng mối hàn. Sự thay đổi ESO phải luôn luôn trong phạm vi khuyến cáo của nhà sản xuất.

Đường kính điện cực (Electrode diameter) là một biến quan trọng. Các điện cực lớn hơn có thể tải các dòng điện hàn cao hơn. Tuy nhiên, đối với một cường độ dòng điện cố định, các điện cực nhỏ hơn dẫn đến định mức kết tủa cao hơn. Điều này là do ảnh hưởng của mật độ dòng điện.

Phân cực hay cực tính (Polarity) là một định nghĩa về hướng dòng chảy dòng điện. Phân cực dương cực (nghịch) đạt được khi điện cực được kết nối với cực dương của nguồn cung cấp dòng một chiều (DC), và chi tiết được nối với cực âm nguồn cung cấp. Phân cực âm cực (thuận) xảy ra khi điện cực được kết nối với cực âm và chi tiết được kết nối với cực dương nguồn cung cấp. Dòng điện xoay chiều (AC) không phân cực. Với AC, điện cực luân phiên phân cực dương cực và âm cực theo tần số dòng điện AC. Hồ quang chìm là quá trình duy nhất thường sử dụng cả hai phân cực dương cực và phân cực âm cực đối với cùng một loại điện cực, dòng điện AC cũng có thể được sử dụng. Đối với tốc độ cung cấp dây cố định, điện cực hồ quang chìm sẽ đòi hỏi cường độ dòng điện lớn hơn khi phân cực dương cực so với phân cực âm cực. Đối với một cường độ dòng điện cố định, phân cực âm cực có thể sử dụng tốc độ cung cấp dây cao hơn và định mức kết tủa cao hơn so với phân cực dương cực. Dòng điện AC biểu thị sự kết hợp của cả hai đặc tính phân cực là dương cực và âm cực.

Thổi hồ quang (arc blow), từ trường xung quanh bất kỳ dây dẫn DC có thể gây ra một hiện tượng được gọi là “thổi hồ quang”, khi đó hồ quang có thể bị lệch hướng bởi tác động từ trường. Cường độ của từ trường là tỷ lệ thuận với bình phương của giá trị cường độ dòng điện, vì vậy đây là một vấn đề tiềm tàng quan trọng nhiều hơn với các giá trị dòng điện cao hơn. Dòng điện AC là ít bị thổi hồ quang, và đôi khi có thể được sử dụng để khắc phục hiện tượng này.

Nhiệt cung cấp vào (Heat input) là tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện hàn nhân điện áp hồ quang, chia cho tốc độ di chuyển. Nhiệt cung cấp vào cao hơn liên quan đến các diện tích mặt cắt ngang mối hàn lớn hơn, và các khu vực bị ảnh hưởng nhiệt lớn hơn, như vậy có thể ảnh hưởng xấu đến các tính chất cơ học trong khu vực đó. Nhiệt cung cấp vào cao hơn thường dẫn đến làm giảm giới hạn chảy và độ bền kéo kim loại hàn, và thường độ dai va đập rãnh thấp hơn vì sự ảnh hưởng lẫn nhau của kích thước đường hàn và nhiệt cung cấp vào.

Mật độ dòng điện (Current density) được xác định bằng cách chia cường độ dòng điện hàn cho diện tích mặt cắt ngang của điện cực. Do đó, đối với các điện cực đặc mật độ dòng điện là tỷ lệ thuận với I/d². Đối với điện cực ống rỗng dòng điện được phân bố trên lớp vỏ, mật độ dòng điện có liên quan đến diện tích mặt cắt ngang kim loại (lớp vỏ). Khi mật độ dòng điện tăng lên, sẽ có sự tăng lên về định mức kết tủa, cũng như sự thâm nhập. Như vậy sẽ làm tăng lượng phụ gia hàn cho liên kết nhất định. Chú ý rằng điều này có thể được thực hiện bằng cách hoặc tăng cường độ dòng điện hoặc giảm kích thước điện cực. Vì đường kính điện cực là một hàm bình phương, giảm nhỏ đường kính điện cực có thể có một tác động đáng kể tới các định mức kết tủa và sự thâm nhập.

Nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ lớp giữa (Preheat and interpass temperature) được sử dụng để kiểm soát xu hướng nứt, thường hay xảy ra trong các vật liệu cơ bản. Liên quan đến các đặc tính kim loại hàn, đối với hầu hết các hệ thống carbon-mangan-silic, nhiệt độ lớp giữa trung bình làm tăng độ dai va đập rãnh tốt. Nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ lớp giữa lớn hơn 550F có thể ảnh hưởng xấu đến độ dai va đập rãnh. Khi kim loại cơ bản nhận được ít hoặc không có nung nóng trước, kết quả là tốc độ nguội rất nhanh cũng có thể dẫn đến sự suy giảm độ dai va đập rãnh. Do đó, kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ lớp giữa là rất quan trọng.

(Dipl.Eng.IWE/EWE-Nguyễn Duy Ninh)

Các bài viết liên quan

Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 1
Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 2
Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 3
Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 4
Những vấn đề cần biết về một qui trình hàn (WPS) theo AWS D1.1 - Phần 5