Máy tính nhiệt lượng hàn
Tính nhiệt lượng đầu vào, đương lượng carbon, nhiệt độ nung sơ bộ và đặc tính HAZ. Tính nhiệt lượng hàn theo AWS D1.1/EN 1011-2, đương lượng carbon (công thức…
Tính nhiệt lượng hàn theo AWS D1.1/EN 1011-2, đương lượng carbon (công thức IIW/Pcm), yêu cầu nung sơ bộ và độ cứng HAZ. Quan trọng để ngăn ngừa nứt do hydro.
Tại sao nhiệt lượng hàn quan trọng?
Nhiệt đầu vào là năng lượng cấp trên đơn vị chiều dài mối hàn và trực tiếp kiểm soát tốc độ nguội, tổ chức tế vi và cơ tính của mối hàn cùng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Nhiệt đầu vào quá lớn gây thô hạt, giảm độ dai và biến dạng quá mức. Quá ít gây ngấu không hoàn toàn và độ cứng cao trong HAZ.
Đương lượng cacbon (CE) dự báo độ thấm tôi và độ nhạy nứt của kim loại cơ bản. Công thức IIW (CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15) dùng cho thép có C > 0.18%. Công thức Pcm dùng cho thép cacbon thấp (C < 0.18%). CE > 0.45 thường đòi hỏi gia nhiệt trước để ngăn nứt do hydro.
Nhiệt độ gia nhiệt trước được xác định bởi tác động kết hợp của CE, chiều dày vật liệu, mức hydro và nhiệt đầu vào. EN 1011-2 cung cấp các phương pháp tính. Gia nhiệt trước làm chậm tốc độ nguội, cho phép hydro khuếch tán thoát ra trước khi mối hàn nguội xuống dưới 150°C (nơi hydro bị giữ lại và gây nứt nguội).
Formula: Nhiệt đầu vào (kJ/mm) = (η × V × I × 60) / (Tốc độ hàn × 1000) CE(IIW) = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B
Ví dụ tính toán
Hàn GMAW ở 28V, 250A, tốc độ hàn 300 mm/min, hiệu suất hồ quang 0.85: Nhiệt đầu vào = (0.85 × 28 × 250 × 60)/(300 × 1000) = 1.19 kJ/mm. Với thép có C=0.18%, Mn=1.2%: CE(IIW) = 0.18 + 1.2/6 = 0.38. Không cần gia nhiệt trước (CE < 0.45).
Khi nào nên sử dụng
- Xây dựng Quy trình hàn (WPS) và cần xác định nhiệt độ gia nhiệt trước dựa trên đương lượng cacbon và chiều dày vật liệu
- Xem xét các vấn đề chất lượng mối hàn — kiểm tra nhiệt đầu vào có nằm trong phạm vi chấp nhận để ngăn suy giảm tính chất HAZ hay không
- Đánh giá năng lực hàn của vật liệu cơ bản mới — tính CE để đánh giá độ nhạy nứt trước khi thử nghiệm quy trình
- Kiểm toán sự tuân thủ của thợ hàn với yêu cầu quy phạm — xác minh các thông số đã ghi nhận cho nhiệt đầu vào nằm trong phạm vi đã được phê chuẩn của WPS
Những sai lầm thường gặp
- Dùng sai công thức CE — công thức IIW dành cho thép có C>0.18%, Pcm dành cho thép cacbon thấp; dùng sai công thức cho khuyến nghị gia nhiệt trước không chính xác
- Quên hiệu suất hồ quang — GMAW ~0.85, SMAW ~0.80, GTAW ~0.65; bỏ qua hiệu suất sẽ thổi phồng nhiệt thực sự truyền vào mối hàn
- Áp dụng tính toán nhiệt đầu vào một lớp cho mối hàn nhiều lớp mà không xét nhiệt độ giữa các lớp — nhiệt tích lũy làm thay đổi tốc độ nguội và tính chất HAZ
- Bỏ qua kiểm soát hydro — ngay cả khi gia nhiệt trước đúng, dùng vật liệu hàn không phải loại hydro thấp hoặc que hàn bị ẩm vẫn có thể gây nứt nguội
Cách đọc kết quả
- CE (IIW) < 0.40: Độ thấm tôi thấp — thường không cần gia nhiệt trước trừ khi chiều dày vượt 25 mm hoặc nhiệt độ môi trường dưới 5°C
- CE (IIW) 0.40-0.60: Độ thấm tôi trung bình — thường cần gia nhiệt trước, nhiệt độ phụ thuộc chiều dày và mức hydro
- CE (IIW) > 0.60: Độ thấm tôi cao — gia nhiệt trước bắt buộc (thường 150-250°C), kiểm soát hydro nghiêm ngặt, và nhiều khả năng cần xử lý nhiệt sau hàn
- Nguy cơ nứt ở mức 'Cao' hoặc 'Rất cao' — dừng lại và rà soát quy trình; các biện pháp bổ sung (gia nhiệt trước cao hơn, vật liệu hàn hydro thấp hơn, PWHT) là bắt buộc trước khi hàn
Tiêu chuẩn & tài liệu tham khảo
- EN 1011-2 — Hàn — Khuyến nghị về hàn vật liệu kim loại — Hàn hồ quang thép ferit
- AWS D1.1 — Quy phạm hàn kết cấu — Thép (Mục 5: Yêu cầu tiền phê chuẩn và gia nhiệt trước)
- ISO/TR 17671-2 — Hướng dẫn áp dụng EN 1011-2
- ASME BPVC Section IX — Phê chuẩn quy trình hàn, hàn vảy và hàn nhiệt hạch
Câu hỏi thường gặp
Hậu quả của việc vượt quá nhiệt lượng đầu vào tối đa là gì?
Nhiệt lượng đầu vào quá lớn gây ra: (1) thô hóa hạt trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), làm giảm độ dai (giá trị va đập Charpy giảm đáng kể), (2) tăng biến dạng và ứng suất dư, (3) HAZ rộng hơn với tính chất suy giảm, (4) nguy cơ nứt nóng ở các hợp kim nhạy cảm, (5) khả năng vi phạm yêu cầu của quy phạm (AWS D1.1 giới hạn nhiệt lượng đầu vào cho các WPS được phê chuẩn sẵn). Với thép tôi và ram, nhiệt quá mức có thể làm mềm HAZ xuống dưới độ cứng tối thiểu quy định.
Khi nào cần nung sơ bộ và xác định nhiệt độ như thế nào?
Nung sơ bộ là bắt buộc khi CE > 0.45 (công thức IIW), chiều dày vật liệu > 25 mm, hoặc nhiệt độ môi trường dưới 5°C. Nhiệt độ nung sơ bộ tối thiểu được tính theo hướng dẫn EN 1011-2 hoặc AWS D1.1 dựa trên CE, chiều dày, mức hydro và nhiệt lượng đầu vào. Giá trị điển hình: 75°C cho CE=0.45 ở tấm 25 mm, lên tới 200°C cho thép có CE cao. Nung sơ bộ phải được thực hiện đồng đều trên ít nhất 75 mm mỗi bên của mối ghép.
Thời gian nguội t8/5 là gì và ý nghĩa thực tiễn của nó?
Thời gian t8/5 (thời gian nguội từ 800°C xuống 500°C) quyết định tổ chức tế vi của HAZ. Nguội nhanh (t8/5 ngắn < 5s) tạo ra mactenxit — cứng, giòn và dễ nứt. Nguội chậm (t8/5 dài > 25s) tạo ra ferit/peclit — mềm nhưng độ dai giảm do thô hóa hạt. Khoảng tối ưu phụ thuộc vào mác thép, thường là 8-15s cho thép kết cấu.