Phân tích tính hàn của thép kết cấu

ª ThS. Nguyễn Long Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Phạm Duy Hữu PGS. TS. Nguyễn Thanh Sang

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu về tính hàn của thép kết cấu, ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến tính hàn của thép, các công thức tính hàm lượng carbon tương đương khác nhau để đánh giá tính hàn của thép và xác định hàm lượng carbon tương đương trên cơ sở yêu cầu thành phần hóa học của một số tiêu chuẩn tiên tiến trên thế giới.

Từ khóa: Tính hàn của thép kết cấu.

Abstract: The article presents the weldability of structural steel, the influence of the chemical elements to the weldability, the formula for calculating the carbon equivalent for evaluating weldability and calculates thecarbon equivalent base on specification chemistry ofsome modern standards.

Keywords: Structural steel welding.

1. Đặt vấn đề

Liên kết hàn là loại liên kết rất phổ biến trong việc chế tạo cấu kiện thép trong nhà máy cũng như liên kết các kết cấu thép tại công trường. Chất lượng của liên kết và chi phí thực hiện liên kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà tính chất của thép tham gia liên kết là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất của thép đặc trưng cho khả năng thực hiện được liên kết hàn có chất lượng tốt của thép (hay tính hàn của thép) là rất quan trọng trong công nghệ kết cấu thép, từ đó giúp xác định phương pháp hàn và các giải pháp công nghệ cần thiết để hoàn thành liên kết hàn đạt các yêu cầu kỹ thuật, phòng tránh các khuyết tật hàn như nứt, rỗ...

Hiện nay, rất nhiều tiêu chuẩn tiên tiến về thép kết cấu đều quy định chỉ tiêu liên quan đến tính hàn của thép như tiêu chuẩn châu Âu (EN), tiêu chuẩn Mỹ (ASTM), tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS). Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) trước đây về thép kết cấu hoàn toàn chưa đề cập đến tính hàn của thép. Gần đây, TCVN đã bắt đầu quan tâm đến tính hàn của thép và quy định giá trị hàm lượng carbon tương đương trong TCVN 1651-2: 2008 - Thép cốt cho bê tông - Thép thanh vằn. Tuy nhiên, các TCVN mới về các loại thép kết cấu như thép tấm kết cấu cán nóng (TCVN6522:2008), thép tấm kết cấu cán nóng giới hạn chảy cao (TCVN6523:2006)... chưa có quy định về hàm lượng carbon tương đương cho thép.

2. Khái niệm tính hàn của thép

Tính hàn của vật liệu là tính chất đảm bảo dễ dàng hoàn thành một mối hàn đạt yêu cầu chung và có thể được xác định từ chất lượng của mối hàn, công sức và chi phí cần thiết cho việc thực hiện mối hàn. Chất lượng của mối hàn được xác định bởi các chỉ tiêu để đảm bảo đầy đủ các yêu cầu khai thác.

Các đặc trưng quyết định đến chất lượng của mối hàn kim loại bao gồm xu hướng nứt, hóa cứng và hóa mềm trong vùng ảnh hưởng nhiệt, quá trình ô-xy hóa, bốc hơi, biến đổi cấu trúc và được xác định bởi các tính chất của kim loại trong sự liên quan đến điểm nóng chảy, hệ số giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt và điện, khuyết tật vốn có trong kim loại cơ bản và điều kiện bề mặt.

Như vậy, thép có tính hàn tốt thì tại các bộ phận hàn không bị tăng tính biến cứng, khả năng biến dạng và độ dai va đập vẫn đảm bảo, kể cả ở vùng ảnh hưởng nhiệt (ngay sát mối hàn).

Thành phần hóa học của thép là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính hàn.

- Carbon (C) là nguyên tố quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép. Sự thay đổi hàm lượng carbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập. Hàm lượng carbon tăng sẽ làm tăng tính biến cứng của thép khi chịu tác dụng nhiệt.

- Mangan (Mn): Khi hàm lượng < 1% không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép nhưng khi hàm lượng Mn > 1%, tính hàn kém đi vì thép dễ bị nứt (tăng tính thấm tôi).

- Silic (Si): Khi hàm lượng < 0,3% không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép nhưng khi hàm lượng Si > 0,3% sẽ gây khó khăn cho quá trình hàn vì tạo nên các loại ô-xit khó chảy và tăng tính chảy loãng.

- Crôm (Cr): Ảnh hưởng xấu đến tính hàn của thép vì nó làm tăng sự ô-xy hóa kim loại và kết hợp với carbon tạo thành cac-bit (hợp chất hóa học), nâng cao độ cứng kim loại ở vùng chuyển tiếp từ mối hàn đến kim loại cơ bản. Tuy nhiên, nếu chọn được chế độ hàn, vật liệu hàn và quy trình công nghệ hàn hợp lý thì có thể hạn chế ảnh hưởng xấu của nó đến tính hàn.

- Niken (Ni): Có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại và nâng cao tính dẻo của thép, ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

- Molipden (Mo): Gây nhiều khó khăn cho quá trình hàn như làm tăng khả năng nứt ngầm trong mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, dễ bị ô-xy hóa và cháy mạnh trong quá trình hàn.

- Vonfram (W): Làm tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt nhưng W làm cho tính hàn kém đi vì nó thường bị ô-xy hóa mạnh nên cần bảo vệ thật tốt trong quá trình hàn.

- Vanadi (V) có ảnh hượng tương tự như Vonfram.

- Titan (Ti) và Niobi (Nb): Chỉ tồn tại trong thép một lượng rất nhỏ (< 1%) nên không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép.

- Đồng (Cu): Với hàm lượng nhỏ (0,3 - 0,8%) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ dai va đập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

- Lưu huỳnh (S): Thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng, còn phốt-pho (P) thường gây hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại. Khi hàm lượng vượt quá giới hạn cho phép, chúng có ảnh hưởng xấu đến tính hàn.

- Ô-xy (O₂) trong thép thường ở dạng ô-xit làm giảm cơ tính và làm giảm tính hàn của thép.

- Nitơ (N₂) trong thép tạo hợp chất hóa học (nitrit sắt) rất cứng, giòn, làm giảm tính dẻo và gây khó khăn cho quá trình hàn.

- Hydro (H₂) là tạp chất có hại, sinh khí trong vũng hàn, gây nứt tế vi trong mối hàn và gây khó khăn cho quá trình hàn.

Để đánh giá tính hàn, trên cơ sở ảnh hưởng của các nguyên tố hoá học của thép, thường dùng chỉ tiêu hàm lượng carbon tương đương (ký hiệu CE % - Cabron Equivalent). Đây là chỉ số thể hiện ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính hàn với giả định là các nguyên tố hợp kim sẽ tác động tương tự như tác động của sự gia tăng hàm lượng carbon trong thép. Hàm lượng carbon tương đương là một chỉ số quan trọng đánh giá độ nhạy của vết nứt hàn. Thép có hàm lượng carbon cao thì tính hàn thấp, dễ xuất hiện các vết nứt khi hàn nên cần phải nung sơ bộ trước khi hàn để hạn chế các vết nứt.

Hàm lượng carbon tương đương theo Viện Hàn quốc tế (International Institute of Welding) được tính như sau[1][2][15]:

Trong đó: C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu - Hàm lượng (%) của Carbon, Mangan, Crôm, Molypden, Vanadi, Niken, Đồng trong thép.

CE_IIW biểu thị khả năng biến cứng của các loại thép thông dụng nên đây là công thức tính hàm lượng carbon tương đương phổ biến nhất hiện nay. Tuy nhiên, công thức CE_IIW chưa xét đến ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim tương đối phổ biến trong thép, tuy có hàm lượng nhỏ nhưng lại có ảnh hưởng lớn đến tính chất của thép, như Nb, B, N... Công thức CE_IIW thích hợp để đánh giá tính hàn của thép carbon và thép carbon nâng cao mangan.

Có thể phân loại tính hàn theo hàm lượng carbon tương đương CE_IIW như sau [2]:

Ito và Besseyo đề xuất công thức tính hàm lượng carbon tương đương cho thép carbon thấp và hợp kim thấp như sau [3] [4]:

Trong đó: C, Si, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu, B là hàm lượng (%) của Carbon, Silic, Mangan, Crôm, Molypden, Vanadi, Niken, Đồng và Bo trong thép.

Trong công thức này, hàm lượng carbon mang trọng số rất lớn so với các nguyên tố khác nên Pcm thích hợp để đánh giá khả năng nứt hydro trong vùng ảnh hưởng nhiệt, vì ảnh hưởng của carbon rất lớn đối với vùng ảnh hưởng nhiệt chứa nhiều mác-ten-xít.

Chiều dày cũng là yếu tố ảnh hưởng đến tính hàn của thép vì chiều dày ảnh hưởng đến quá trình phân tán nhiệt hàn, nên ảnh hưởng đến tốc độ nguội của thép, từ đó ảnh hưởng đến xu hướng hóa cứng và nứt của thép. Để xét đến ảnh hưởng của chiều dày thép đến tính hàn của thép, ta có thể dùng chỉ tiêu hàm lượng carbon tương đương bổ sung (Compensated Carbon Equivalent) [3]:

CCE = CE + 0,00425.t  (%)

Trong đó: t (mm) - Chiều dày của bản thép.

Nếu [3]: - CCE <0,45 thì không cần nung sơ bộ trước khi hàn;

- 0,45 < CCE < 0,7 thì cần nung sơ bộ trước khi hàn với nhiệt độ từ 200 - 500^OC;

- CCE> 0,7 thì không nên hàn.

3. Tính toán hàm lượng carbon tương đương của thép kết cấu trên cơ sở yêu cầu về thành phần hóa học tại mố số tiêu chuẩn

Hiện nay, các tiêu chuẩn tiên tiến ngoài việc quy định hàm lượng các nguyên tố hóa học trong thép còn quy định giá hàm lượng carbon tương đương (ký hiệu CEV - Carbon Equivalant Value) để phòng tránh vết nứt hàn. Các loại thép sử dụng trong kết cấu hàn cần đảm bảo hàm lượng carbon tương đương không được vượt quá giá trị hàm lượng carbon tương đương theo quy định (CE £ CEV).

Tiêu chuẩn châu Âu (EN) và tiêu chuẩn Mỹ (ASTM) quy định hàm lượng carbon tương đương được tính tương tự như công thức của Viện hàn thế giới [6 -12]:

Tiêu chuẩn thép Nhật Bản quy định hàm lượng carbon tương đương (Ceq) theo công thức:

hoặc tính theo công thức của Ito và Besseyo (ký hiệu Pcm) [13][14] :

Bảng 3.1. Kết quả tính toán hàm lượng carbon tương đương theo giá trị thành phần hóa học tối đa trong tiêu chuẩn và giá trị hàm lượng carbon tương đương (CEV) của một số mác thép theo EN 10025-1:2004, EN 10025-2:2004 và EN 10025-3:2004

* Hàm lượng carbon tương đương tính theo giá trị thành phần hóa học tối đa theo tiêu chuẩn

Bảng 3.2. Kết quả tính toán hàm lượng carbon tương đương theo giá trị thành phần hóa học tối đa trong tiêu chuẩn về thành phần hóa học của thép và giá trị hàm lượng carbon tương đương (CEV) theo ASTM A529,A709,A572 và A992

Bảng 3.3. Kết quả tính toán hàm lượng carbon tương đương Ceq và Pcm theo giá trị thành phần hóa học tối đa của thép kết cấu theo Tiêu chuẩn JIS G3106và JIS G3114

Kết quả tính toán CE theo hàm lượng tối đa của một số nguyên tố hóa học được quy định trong một số tiêu chuẩn tiên tiến thường có giá trị lớn hơn CEV quy định. Do đó, các loại thép kết cấu nếu chỉ đảm bảo yêu cầu về thành phần hóa học thì chưa chắc đảm bảo yêu cầu về tính hàn. Vậy vậy, có thể coi CE như là một chỉ tiêu để khống chế tổng thể thành phần hóa học của thép kết cấu.

Tiêu chuẩn Việt Nam mới có quy định về giá trị hàm lượng carbon tương đương CEV đối với thép cốt cho bê tông trong TCVN 1651:2008 và sử dụng công thức của Viện Hàn thế giới để tính hàm lượng carbon tương đương. Tuy nhiên, kết quả tính hàm lượng carbon tương đương trên cơ sở yêu cầu về thành phần hóa học cũng như quy định CEV tối đa theo tiêu chuẩn này khá cao và nằm trong phạm vi tính hàn kém.

Một số loại thép kết cấu theo TCVN nếu sử dụng công thức của Viện Hàn thế giới tính hàm lượng carbon tương đương trên cơ sở giá trị hàm lượng tối đa của các nguyên tố hóa học cho kết quả cao hơn mức 0,45% (tính hàn ở mức trung bình). Như vậy, tiêu chuẩn dự án có sử dụng liên kết hàn nên có thêm quy định CEV tối đa hoặc có thêm chỉ dẫn để xác định biện pháp xử lý công nghệ khi hàn (như nung sơ bộ hoặc ủ sau khi hàn...) nhằm tránh các vết nứt hàn.

Bảng 3.4. Kết quả tính toán hàm lượng carbon tương đương CE trên cơ sở hàm lượng tối đa quy định của các nguyên tố hóa học trong thép kết cấu theo Tiêu chuẩn TCVN 6522:2008, TCVN 6523: 2006 và TCVN 1651: 2008

4. Kết luận

- Hàm lượng carbon tương đương là một chỉ số quan trọng biểu thị độ nhạy của vết nứt hàn của thép. Hàm lượng carbon tương đương của thép càng nhỏ thì khả năng xuất hiện các vết nứt hàn càng thấp và ngược lại.

- Kết quả phân tích hàm lượng carbon tương đương CE dựa trên giá trị thành phần hóa học tối đa quy định trong một số tiêu chuẩn tại châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Việt Nam thường có giá trị nằm trong phạm vi tính hàn không tốt. Vì vậy, các tiêu chuẩn châu Âu, Mỹ và Nhật Bản đều có quy định giá trị hàm lượng carbon tương đương (CEV) để khống chế tổng thể thành phần hóa học của thép hàn, hạn chế khả năng xuất hiện vết nứt hàn. Tiêu chuẩn dự án tại Việt Nam cũng nên có các quy định về giá trị hàm lượng carbon tương đương cho thép kết cấu có sử dụng liên kết hàn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Hoàng Tùng, Nguyễn Thúc Hà, Ngô Lê Thông, Chu Văn Khang (2002), Cẩm nang hàn, NXB. Khoa học và Kỹ thuật.

[2]. Vladimir B. Ginzburg, Robert Ballas (2000), Flat rolling fundamentals, CRC Press.

[3]. Rangachari Narayanan, V. Kalyanaraman, A.R. Santhakumar, S.Seetharaman, S.R. Satish Kumar, S. Arul Jayachandran, R. Senthil, Teaching Materials, Institute for Steel development and growth, India.

[4]. Kenneth Hakansson (2002), Weld metal properties for Extra High Strength Steels, Doctoral Thesis.

[5]. TCVN 1651: 2008, Thép cốt cho bê tông.

[6]. BS - EN 1011-2:2001,Welding - Recommendation of Metallic Materials.

[7]. BS - EN 10025: 2004, Hot rolled products of structural steels.

[8]. ASTM A529-04, Standard specification for high strength carbon-manganese steel of structural quality.

[9]. ASTM A6-04, Specifications for General Requirements for Rolled Structural Steel Bars, Plates, Shapes, and Sheet Piling.

[10]. ASTM A36/ A36M - 04, Standard specification for carbon structural steel.

[11]. ASTM A709-04, Standard Specification for Cacbon and High Strength Low-Alloy Structrural Steel Shapes, Plates and Bars and Quenched-and-Tempered Alloy Structural Steel Plates for Bridges.

[12]. ASTM A 992-04, Standard specification for structural steel shapes.

[13]. JIS G3106:2008, Thép cán nóng cho kết cấu hàn.

[14]. JIS G3114:2008, Thép cán nóng chịu thời tiết cho kết cấu hàn.

[15]. AWS D1.1: 2010, Structural Welding Code - Steels.

[16]. http://www.congnghehan.vn.