Kiểm soát nhiệt lượng đưa vào khi hàn ống duplex: Ngăn ngừa hiện tượng giòn hóa pha sigma trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Nếu bạn hàn thép không gỉ duplex hoặc siêu duplex (DSS/SDSS), bạn đang đi trên dây thừng. Nếu nhiệt độ quá thấp, bạn sẽ thu được lượng ferrit quá mức và mất độ dẻo dai; nếu nhiệt độ quá cao, bạn sẽ vô tình ‘mời’ kẻ giết người thầm lặng của các mối hàn duplex: Hiện tượng giòn hóa pha Sigma (σ) trong vùng chịu nhiệt (Heat Affected Zone – HAZ).

Pha sigma là một hợp chất liên kim loại làm cho mối hàn trở nên giòn và phá hủy khả năng chống ăn mòn. Mặc dù pha này hình thành trong kim loại nền do xử lý nhiệt không đúng cách, nhưng trong hàn, nó lại là hệ quả trực tiếp của việc kiểm soát nhiệt kém kiểm soát nhiệt lượng đầu vào .

Bài viết này cung cấp phân tích kỹ thuật chuyên sâu về cách điều chỉnh lượng nhiệt đưa vào để ngăn ngừa sự hình thành pha sigma trong quá trình hàn ống duplex, từ đó đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn điểm.

Vấn đề: Vì sao pha sigma hình thành trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Sự kết tủa pha sigma xảy ra khi vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của mối hàn bị nung ở nhiệt độ khoảng 600°C đến 950°C trong thời gian quá dài . Trong cấu trúc vi mô duplex, pha sigma chủ yếu bắt đầu hình thành tại các ranh giới giữa ferrit và austenit. Pha này phát triển bằng cách tiêu thụ pha ferrit (δ), vốn giàu crôm và molypden—chính là những nguyên tố mang lại khả năng chống ăn mòn cho thép duplex. .

Cơ chế hình thành là phản ứng cùng tích: δ → σ + γ₂ (austenit thứ cấp) . Khi pha sigma hình thành, nó rút bớt Cr và Mo từ ma trận xung quanh. Một khi đã kết tủa, việc loại bỏ pha sigma đòi hỏi xử lý ủ hòa tan đầy đủ (ở 1050–1100°C), điều này không thực tế đối với các cụm ống lớn. ở trạng thái sau hàn, pha sigma là một pha cứng và giòn, làm giảm mạnh độ dai va đập cũng như khả năng chống ăn mòn điểm.

Biến số chính: Lượng nhiệt đưa vào và tốc độ làm nguội (t12/8)

Mặc dù thành phần hóa học là yếu tố then chốt, nhưng chu trình nhiệt mới là yếu tố kích hoạt. Tiêu chuẩn công nghiệp để đo lường thông số này là thời gian làm nguội từ 1200°C xuống 800°C (t12/8) . Dải nhiệt độ này bao trùm khoảng nhiệt độ quan trọng cả cho quá trình hình thành austenit lẫn sự kết tủa pha sigma.

Để tránh sự hình thành pha sigma đồng thời duy trì cân bằng pha, bạn thường cần giá trị t12/8 trong khoảng 8 đến 15 giây . Nếu t12/8 vượt quá khoảng 15 giây (xảy ra khi lượng nhiệt đưa vào cao), bạn sẽ đối mặt với nguy cơ hình thành pha sigma. .

Đối với thép duplex chứa 22% Cr (ví dụ như 2205), lượng nhiệt đưa vào khuyến nghị cho hàn ống thường nằm trong khoảng 0,5 kJ/mm đến 2,5 kJ/mm đối với độ dày thành ống từ 10–15 mm tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy những giới hạn này không cố định; chúng thay đổi tùy theo độ dày thành ống và hình dạng mối nối.

Góc nhìn mới: Độ dày tấm làm thay đổi quy tắc

Nghiên cứu gần đây bác bỏ giả định rằng "lượng nhiệt đầu vào cao luôn là điều xấu." Một nghiên cứu năm 2025 về hàn duplex tấm dày đã chỉ ra rằng đối với các tấm có độ dày vượt quá 10 mm, giới hạn trên của lượng nhiệt đầu vào tăng đáng kể. .

• Đối với ống thành mỏng (<10 mm): Quá trình tản nhiệt chậm khiến vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ) duy trì ở nhiệt độ cao. Việc sử dụng các phép tính tiêu chuẩn về lượng nhiệt đầu vào là rất quan trọng nhằm tránh thủng hoặc quá nhiệt.

• Đối với ống thành dày (>14 mm): Khối lượng lớn của ống đóng vai trò như một bộ tản nhiệt khổng lồ, nhanh chóng hút nhiệt ra khỏi vùng hàn. Trong những trường hợp này, cần áp dụng lượng nhiệt đầu vào cao hơn để đạt được sự hòa tan đầy đủ và hình thành austenit. Nghiên cứu xác nhận rằng với các tấm dày 20 mm, lượng nhiệt đầu vào 5 kJ/mm và 7 kJ/mm được sử dụng mà không xuất hiện bất kỳ sự kết tủa sigma nào trong vùng ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ). .

Điểm chính: Bạn phải tính toán lượng nhiệt đưa vào tương ứng với độ dày vật liệu. Ống càng dày thì lượng nhiệt đưa vào "an toàn" có thể càng cao, bởi vì tốc độ làm nguội vẫn đủ nhanh để tránh vùng hình mũi sigma trên đường cong TTT.

Thách thức đối với thép siêu duplex (các mác 25Cr)

Khi hàn các mác thép siêu duplex (ví dụ: 2507, Zeron 100), khoảng dung sai cho sai sót thu hẹp lại. Các vật liệu có hàm lượng hợp kim cao hơn này có xu hướng tạo pha sigma mạnh hơn.

• Độ nhạy của mối hàn lớp đáy: Trong hàn ống, lớp hàn đáy đặc biệt dễ bị tổn thương. Nghiên cứu cho thấy lớp hàn đáy nên được thực hiện với cao hơn lượng nhiệt đưa vào (trên 1,0 kJ/mm) cao hơn so với một vài lớp hàn tiếp theo đầu tiên. Vì sao? Lượng nhiệt đưa vào thấp ở lớp hàn đáy có thể gây ra sự kết tủa nitrua crôm trên bề mặt bên trong do thiếu quá trình gia nhiệt lại. .

• Độ phù hợp cho mục đích sử dụng: Mặc dù đặc tả thường yêu cầu hàm lượng pha sigma bằng không, thực tế công nghiệp (đặc biệt trong các dự án tại vùng Biển Bắc của Anh) cho thấy việc chấp nhận một lượng nhỏ pha sigma trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ở nhiệt độ thấp (cách đường nối chảy 2–5 mm) đôi khi là khả thi. 2,5% thể tích pha sigma trong HAZ, miễn là vật liệu đạt yêu cầu về độ dai va đập theo chỉ tiêu CTOD (Chuyển vị mở đỉnh vết nứt) và vượt qua các thử nghiệm ăn mòn theo tiêu chuẩn ASTM G48 . Tuy nhiên, đây là giới hạn đủ điều kiện, chứ không phải mục tiêu sản xuất.

Hướng dẫn Thực tiễn dành cho Kỹ sư Hàn

Để ngăn ngừa sự hình thành pha sigma trong mối hàn ống thép duplex, cần vượt ra ngoài các quy tắc chung như "nhiệt lượng thấp". Hãy áp dụng các biện pháp kiểm soát sau:

1. Kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn

Sự hình thành pha sigma mang tính cộng dồn. Khi bạn thực hiện thêm các lớp hàn, vùng HAZ từ các lớp hàn trước đó sẽ bị gia nhiệt lại vào vùng nguy hiểm (700–900°C). Do đó, cần giới hạn nghiêm ngặt nhiệt độ giữa các lớp hàn. Đối với thép duplex siêu bền (25% Cr), nhiệt độ tối đa giữa các lớp hàn thường là 150°C  . Đối với thép duplex tiêu chuẩn (22% Cr), giới hạn thông thường là 200°C .

2. Tránh bẫy "nhiều lớp hàn nhỏ"

Điều này nghe có vẻ phản trực quan, nhưng việc sử dụng nhiều lượt hàn với lượng nhiệt đầu vào thấp lại có thể nguy hiểm hơn so với việc sử dụng ít lượt hàn hơn nhưng có lượng nhiệt đầu vào lớn hơn. Mỗi lượt hàn nhỏ làm gia nhiệt lại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) đã hàn trước đó, về cơ bản khiến vật liệu già hóa và thúc đẩy sự kết tủa các pha sigma và chi (χ). .

• Chiến lược: Sử dụng trình tự hàn nhằm giảm thiểu số chu kỳ nhiệt tác động lên bất kỳ khu vực cụ thể nào trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).

3. Cân bằng chỉ số ferit

Sigma hình thành dễ dàng hơn trong ferit. Nếu hàm lượng ferit trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của bạn vượt quá 70–75%, nguy cơ kết tủa pha sigma tăng vọt do lượng ferit không ổn định sẵn có để chuyển biến là rất lớn.

• Đảm bảo khí bảo vệ và vật liệu que hàn của bạn thúc đẩy quá trình tái tạo austenit đầy đủ. Que hàn nền niken có thể hỗ trợ, nhưng cần thận trọng: hàm lượng Ni cao hơn sẽ làm giãn rộng dải nhiệt độ hình thành pha sigma. .

4. Tính toán lượng nhiệt đầu vào hiệu dụng

Đừng dựa vào cảm tính. Hãy sử dụng công thức sau:

$$\text{Lượng nhiệt đưa vào (kJ/mm)}=\frac{\text{Điện áp (V)}\times \text{Dòng điện (A)}\times 60}{\text{Tốc độ di chuyển (mm/phút)}\times 1000}$$

Đối với các quy trình GTAW (hàn TIG), hãy nhớ tính đến hệ số hiệu suất nhiệt (η), thường có giá trị khoảng 0,6 đối với hàn TIG. .

Kết luận

Hiện tượng giòn hóa pha sigma là một dạng hỏng hóc có thể phòng ngừa được. Đây là dấu hiệu cho thấy mối hàn đã chịu quá nhiều nhiệt trong thời gian quá dài—hoặc trên toàn bộ vùng hàn (lượng nhiệt nhập vào cao khi hàn ống mỏng) hoặc cục bộ (nhiều lần gia nhiệt lại do các đường hàn nhỏ).

Việc hàn hiện đại các ống duplex đòi hỏi sự chuyển đổi từ "tuân thủ quy trình hàn được phê duyệt (WPS)" sang việc hiểu rõ lịch sử nhiệt . Bằng cách kiểm soát thời gian làm mát t12/8, tuân thủ giới hạn nhiệt độ giữa các lớp hàn và điều chỉnh lượng nhiệt nhập vào phù hợp với độ dày thực tế của thành ống, bạn có thể tạo ra cấu trúc vi mô vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) không chứa pha sigma, có độ dai tốt và chống ăn mòn hiệu quả.