Nguyên nhân thường gặp gây hỏng khi hàn thanh hợp kim nền niken

Thanh hợp kim nền niken trong hàn: Các nguyên nhân thường gặp gây hư hỏng

Khi một mối hàn được thực hiện bằng thanh hợp kim nền niken bị hỏng, nguyên nhân gốc rễ hiếm khi quá nghiêm trọng. Thông thường, vấn đề bắt đầu từ một chi tiết nhỏ trông có vẻ chấp nhận được tại bàn gia công: mối nối chưa được làm sạch hoàn toàn sau khi mài, nhiệt đầu vào tưởng như có thể kiểm soát nhưng lại khiến vũng hàn duy trì quá lâu, hoặc kim loại phụ được lựa chọn dựa trên tên kim loại cơ bản thay vì hóa học của môi trường làm việc. Trong công việc với hợp kim niken, những quyết định đó thường chỉ bộc lộ về sau dưới dạng nứt nóng, rỗ khí, thiếu ngấu hoặc ăn mòn sớm tại vùng hàn. Vì vậy, các đơn vị gia công giàu kinh nghiệm không chỉ đánh giá những mối hàn này qua hình thức bên ngoài. Họ đánh giá dựa trên cách mối nối sẽ hoạt động trong môi trường công nghệ có chứa clorua, điều kiện tiếp xúc nhiệt theo chu kỳ hoặc quá trình làm việc kéo dài ở nhiệt độ cao.

Điểm phân biệt đầu tiên cần lưu ý là giữa các mối hàn bị hỏng trong quá trình chế tạo và các mối hàn bị hỏng khi đưa vào sử dụng. Các khuyết tật tại xưởng thường dễ truy tìm hơn. Rỗ khí thường bắt nguồn từ sự nhiễm bẩn: dầu, hơi ẩm, cặn sơn, hợp chất đánh dấu có chứa lưu huỳnh hoặc thậm chí bụi bẩn từ thao tác còn bám gần mặt rãnh. Hợp kim niken kém dễ tính hơn nhiều loại thép cacbon trong vấn đề này. Một đường hàn có thể trông nhẵn nhưng vẫn giữ khí nếu mép mối nối chưa được làm sạch đến kim loại sáng và không được tách biệt khỏi sự nhiễm bẩn do dụng cụ bằng thép cacbon. Đối với công việc sửa chữa, tình trạng này còn nghiêm trọng hơn vì linh kiện ban đầu có thể đã mang theo các cặn bám từ quy trình. Thợ hàn đôi khi loại bỏ lớp cáu nhìn thấy được rồi cho rằng bề mặt đã sẵn sàng; vấn đề nằm ở phần cặn không nhìn thấy còn sót lại trong các vết lõm, khe hở chân mối hàn và các góc chịu ảnh hưởng nhiệt.

Nứt là một vấn đề khác. Với thanh hợp kim nền niken, nhiều người vận hành lập tức đổ lỗi cho kim loại phụ, nhưng kinh nghiệm thực tế thường cho thấy sự kết hợp của độ kìm giữ, độ pha loãng và khả năng kiểm soát hồ quang. Nếu thiết kế mối nối tạo ra độ kìm giữ cao và thợ hàn sử dụng dao động quá rộng hoặc duy trì hồ quang quá lâu, kim loại hàn đông đặc sẽ tồn tại lâu hơn trong vùng nhiệt độ nhạy cảm. Khi đó, nguy cơ nứt đông đặc tăng lên, đặc biệt ở các mối nối khác loại hoặc khi sửa chữa các linh kiện đã bị lão hóa. Các đường hàn dạng dây hẹp, nhiệt độ giữa các lớp được kiểm soát và công tác lắp ráp căn chỉnh cẩn thận có ý nghĩa quan trọng hơn nhiều so với nhận định thông thường. Khe hở chân mối hàn không phù hợp hoặc chiều dày mép cùn không đồng đều có thể khiến thợ hàn cố tăng độ ngấu bằng cách bổ sung nhiệt, và đó thường là lúc quy trình hàn đạt yêu cầu bắt đầu lệch hướng.

Các sự cố khi đưa vào sử dụng đòi hỏi phải xem xét môi trường một cách có hệ thống hơn. Một mối hàn hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao và khô có thể không chịu được dòng hóa chất hỗn hợp với sự thay đổi nhiệt độ và hiện tượng ngưng tụ khi dừng máy. Trong ngành gia công hóa chất, một sai lầm phổ biến là lựa chọn kim loại phụ dựa trên độ bền hoặc nhóm hợp kim danh nghĩa mà không chú ý đầy đủ đến cơ chế ăn mòn. Hiện tượng ăn mòn điểm, ăn mòn kẽ hở và ăn mòn trong môi trường axit khử hoặc oxy hóa có thể làm thay đổi lựa chọn phù hợp. Đó là lý do các kỹ sư làm việc trong môi trường có tính xâm thực thường so sánh các quyết định về khả năng hàn với những vật liệu chống ăn mòn liền kề được sử dụng ở các vị trí khác trong hệ thống, bao gồm các chi tiết dạng dải, tấm và lớp lót. Trong một số kết cấu, Dải hợp kim Hastelloy được sử dụng cho các phần tạo hình, vị trí chuyển tiếp lớp ốp hoặc các cụm chống ăn mòn, trong đó cả khả năng hàn và kiểm soát kích thước sau gia công đều có ý nghĩa quan trọng. Điều này không có nghĩa là sản phẩm dạng dải thay thế cho việc lựa chọn kim loại phụ, mà là cùng một môi trường làm việc thường đòi hỏi phải kiểm tra rộng hơn về tính tương thích vật liệu.

Chất lượng mối hàn thường bắt đầu lệch hướng từ đâu

Vấn đề thường bắt nguồn từ trước khi quá trình hàn thực sự diễn ra. Tình trạng vật liệu có thể thay đổi toàn bộ công việc. Các linh kiện bằng hợp kim niken đã bị biến cứng nguội mạnh, được bảo quản không đúng cách hoặc nhiều lần chịu nhiệt trong những lần sửa chữa trước có thể phản ứng khác với vật liệu mới. Màu của oxit bề mặt có thể khiến người vận hành lầm tưởng rằng kim loại chỉ cần chải nhẹ, trong khi thực tế màng oxit đã trở nên đủ bền chắc để cản trở khả năng dàn ướt và nóng chảy liên kết. Đối với các chi tiết mỏng, kiểm soát biến dạng cũng trở thành một phần của việc phòng ngừa khuyết tật. Thợ hàn cố giữ cho tấm phẳng có thể giảm nhiệt quá mức và tạo ra hiện tượng không nóng chảy hoàn toàn ở thành bên. Thợ hàn cố tránh thiếu ngấu có thể bù quá mức và làm mối nối quá nhiệt. Cả hai vấn đề này đều không hiếm gặp.

Một điểm khác thường bị đánh giá thấp là sự khác biệt giữa điều kiện chứng nhận quy trình và điều kiện thực tế tại nhà máy. Một quy trình có thể vận hành ổn định trong xưởng với nhiệt độ môi trường ổn định, công tác chuẩn bị được kiểm soát và khả năng tiếp cận lý tưởng. Cùng một thanh hợp kim nền niken có thể hoạt động khác đi trong một lần sửa chữa khi dừng máy, lúc thợ hàn phải làm việc ở tư thế phía trên đầu, linh kiện đã bị tích nhiệt do thiết bị lân cận và điều kiện tiếp cận buộc phải sử dụng góc mỏ hàn ngắn hơn. Khoảng cách giữa điều kiện đã được chứng nhận và điều kiện tại hiện trường là nơi phát sinh nhiều vấn đề hàn lặp lại. Đây cũng là lý do các giám sát viên giàu kinh nghiệm chú ý đến mức độ phù hợp của mẫu mô phỏng, chứ không chỉ đến tính đầy đủ của hồ sơ.

Lựa chọn vật liệu là một phần của việc phòng ngừa hư hỏng

Không phải mọi ứng dụng hợp kim niken đều hỏng chỉ vì nguyên nhân hàn. Đôi khi mối hàn làm lộ ra sự không phù hợp sâu xa hơn giữa lựa chọn hợp kim và điều kiện làm việc. Trong các thiết bị xử lý dòng axit hoặc chất lỏng chứa clorua, kim loại hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt liền kề có thể trở thành điểm yếu đầu tiên nhìn thấy được, đơn giản vì chúng chịu sự thay đổi luyện kim khắc nghiệt nhất. Các hệ vật liệu dựa trên thành phần hóa học niken-molypden-crom thường được lựa chọn vì lý do đó: chúng duy trì khả năng chống ăn mòn trong các điều kiện công nghệ khắt khe, đồng thời vẫn cho phép gia công thành các dạng phù hợp. Ví dụ, các mác Hastelloy như C-276, C-22 và B-2 thường được đánh giá trong những trường hợp cần kết hợp khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao với các yêu cầu về tạo hình và liên kết. Ở dạng dải, độ dày từ 0.1 mm đến 5 mm có thể phù hợp với ống dẫn, lớp lót, chi tiết chuyển tiếp và các cụm tạo hình sau đó cần được hàn cẩn thận. Các tiêu chuẩn như ASTM B575 và AMS 5580 là những tài liệu tham chiếu phù hợp cho các dạng sản phẩm này, nhưng không thay thế cho việc xác minh quy trình mối nối theo môi trường làm việc.

Điều này có ý nghĩa trong các lĩnh vực như gia công hóa chất, hàng không vũ trụ và phát điện, nơi cùng một nhóm hợp kim có thể phải đáp ứng những hạn chế rất khác nhau. Gia công hàng không vũ trụ có thể tập trung chủ yếu vào độ chính xác kích thước, tác động của mỏi và tính kỷ luật trong kiểm soát quy trình. Trong ngành phát điện, sự thay đổi nhiệt theo chu kỳ và khả năng chống oxy hóa có thể trở thành trọng tâm thảo luận. Các ứng dụng hóa chất thường đặt ra những câu hỏi khó nhất vì thành phần môi chất, điều kiện bất thường và khoảng thời gian bảo trì có thể làm thay đổi tiêu chí đánh giá một mối hàn chấp nhận được. Một mối nối chịu được điều kiện vận hành bình thường vẫn có thể gặp sự cố nếu hóa chất tẩy rửa, nước ngưng tụ khi khởi động hoặc điều kiện tù đọng trong thời gian dừng máy không được xem xét khi lựa chọn kim loại phụ.

Shandong Titanium Nickel Special Steel Co., Ltd. hoạt động với các hệ hợp kim nền niken, hợp kim nền sắt và các hệ hợp kim đặc biệt khác, vì vậy một bài học thực tế từ nền tảng vật liệu rộng này là các quyết định về hàn không nên được tách rời khỏi phần còn lại của kết cấu gia công. Khi các linh kiện liền kề sử dụng dải, ống, thanh hoặc tấm chống ăn mòn thuộc các nhóm hợp kim khác nhau, các vùng chuyển tiếp cần được xem xét kỹ hơn. Điều này đặc biệt đúng khi kết cấu bao gồm các hợp kim chịu nhiệt, Monel, INCONEL, INCOLOY, hợp kim titan hoặc hợp kim zirconi trong các hệ thống làm việc liên quan, bởi việc kiểm soát nhiễm bẩn và tính tương thích của kim loại phụ trở nên nhạy cảm hơn nhiều so với những gì một tên hợp kim đơn giản có thể thể hiện.

Một cuộc đánh giá đúng đắn thường tập trung vào một số câu hỏi quan trọng: Môi trường làm việc thực tế là gì, bao gồm cả điều kiện dừng máy và vệ sinh? Mối nối chịu mức độ kìm giữ bao nhiêu trong trạng thái đã lắp ráp thực tế? Kim loại phụ được lựa chọn chỉ vì khả năng hàn, hay còn vì khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt lâu dài? Và những giả định tại xưởng có còn đúng khi công việc được triển khai tại hiện trường không? Những bước kiểm tra này giúp phòng ngừa hư hỏng với thanh hợp kim nền niken hiệu quả hơn bất kỳ hoạt động nghiệm thu bằng mắt nào sau khi mối hàn đã hoàn tất.