Tính hàn là mức độ "dễ chịu" của vật liệu khi hàn: thép tính hàn tốt cho mối hàn lành lặn với quy trình thông thường, thép tính hàn kém đòi hỏi biện pháp đặc biệt nếu không muốn nứt. Đây là điểm giao thoa điển hình giữa hàn và vật liệu.
Yếu tố quyết định: cacbon và nguyên tố hợp kim
Nguyên tắc nền tảng: hàm lượng cacbon càng cao, tính hàn càng kém. Cacbon (và các nguyên tố hợp kim quy đổi qua công thức cacbon tương đương CE) làm tăng khả năng hình thành tổ chức cứng giòn ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) — nơi kim loại bị "tôi ngoài ý muốn" do nguội nhanh sau hàn, dẫn tới nứt nguội.
Các nhóm thép thường gặp
- Thép kết cấu cacbon thấp (nhóm SS400): tính hàn tốt nhất, hàn được bằng mọi quá trình thông dụng mà không cần xử lý đặc biệt — vì vậy nó là vật liệu mặc định của kết cấu thép.
- Thép cacbon trung bình (nhóm C45): tính hàn trung bình; mối hàn chịu lực cần cân nhắc gia nhiệt trước và kiểm soát nguội chậm để tránh nứt vùng HAZ.
- Thép hợp kim và thép đã nhiệt luyện: tính hàn kém; nhiệt hàn phá hỏng tổ chức đã tôi – ram. Nguyên tắc chung: hàn xong mới nhiệt luyện, hoặc tránh hàn bằng cách đổi sang liên kết cơ khí.
- Thép không gỉ austenit (nhóm inox 304): hàn tốt bằng TIG/MIG với vật liệu hàn tương thích, nhưng cần chú ý biến dạng nhiệt lớn và ăn mòn tinh giới nếu hàn sai chế độ.
Nguyên tắc thực hành
Trước khi hàn vật liệu lạ: xác định mác thép, tra tính hàn, chọn vật liệu hàn tương thích và quyết định có cần gia nhiệt trước/xử lý sau hàn. Với kết cấu quan trọng, tất cả phải được chuẩn hóa trong quy trình hàn (WPS) và thợ hàn được kiểm chứng theo quy trình đó.
Công thức tính tương đương cacbon (CE) và ngưỡng gia nhiệt trước
Muốn biết một mác thép cụ thể có cần gia nhiệt trước khi hàn hay không, dùng công thức tương đương cacbon CE theo IIW (Viện Hàn Quốc tế — International Institute of Welding), tính từ thành phần hóa học trên chứng chỉ vật liệu:
CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15
Ngưỡng tham khảo phổ biến trong thực hành hàn kết cấu thép:
| Giá trị CE | Mức độ | Khuyến nghị |
|---|---|---|
| Dưới 0,40 | Tính hàn tốt | Thường không cần gia nhiệt trước |
| 0,40 – 0,60 | Vùng cần cân nhắc | Gia nhiệt trước có thể cần, tùy chiều dày tấm và mức ràng buộc của mối hàn |
| Trên 0,60 | Tính hàn kém | Cần gia nhiệt trước, có thể cần xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) để giảm ứng suất và tránh nứt |
Ví dụ nhanh: thép C45 (0,45% C, ~0,65% Mn, không hợp kim đáng kể) có CE xấp xỉ 0,45 + 0,65/6 ≈ 0,56 — rơi vào vùng cần cân nhắc gia nhiệt, khớp với khuyến nghị "gia nhiệt trước, kiểm soát nguội chậm" đã nêu ở bảng nhóm thép phía trên.
Lưu ý: bảng ngưỡng trên là hướng dẫn thực hành chung, không thay thế WPS (quy trình hàn) cụ thể của xưởng — nhiệt độ gia nhiệt thực tế còn phụ thuộc chiều dày tấm, mức ràng buộc kết cấu và tiêu chuẩn nghiệm thu áp dụng (quy chuẩn hàn kết cấu như AWS D1.1 có bảng tra riêng theo nhóm thép và chiều dày — năm ban hành phiên bản áp dụng cần đối chiếu tại xưởng, không nêu cụ thể ở đây).
FAQ
Tính hàn là gì và yếu tố nào quyết định? Là mức độ "dễ chịu" của vật liệu khi hàn — thép tính hàn tốt cho mối hàn lành lặn với quy trình thông thường. Yếu tố quyết định chính là hàm lượng cacbon: cacbon càng cao, tính hàn càng kém vì làm tăng khả năng hình thành tổ chức cứng giòn ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
CE (tương đương cacbon) tính theo công thức nào? CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15 theo IIW — CE dưới 0,40 là tính hàn tốt, 0,40–0,60 là vùng cần cân nhắc gia nhiệt trước, trên 0,60 là tính hàn kém cần cả gia nhiệt và xử lý nhiệt sau hàn.
Khi nào cần gia nhiệt trước khi hàn? Khi giá trị CE trên 0,40 — ví dụ thép C45 có CE xấp xỉ 0,56, rơi vào vùng cần cân nhắc gia nhiệt trước và kiểm soát nguội chậm để tránh nứt vùng HAZ.
Vì sao thép đã nhiệt luyện có tính hàn kém? Vì nhiệt hàn phá hỏng tổ chức đã tôi–ram của thép — nguyên tắc chung là hàn xong mới nhiệt luyện, hoặc tránh hàn bằng cách đổi sang liên kết cơ khí.
Thuật ngữ
- Tính hàn (weldability): khả năng một vật liệu tạo được mối hàn lành lặn, không nứt, bằng quy trình hàn thông thường.
- CE (Carbon Equivalent — tương đương cacbon): chỉ số quy đổi ảnh hưởng của cacbon và các nguyên tố hợp kim khác về một giá trị tương đương, dùng để đánh giá nhanh tính hàn và nhu cầu gia nhiệt trước.
- HAZ (Heat Affected Zone — vùng ảnh hưởng nhiệt): vùng kim loại cạnh mối hàn bị thay đổi tổ chức do nhiệt hàn dù không nóng chảy.
- Gia nhiệt trước (preheat): nung nóng vật liệu trước khi hàn để giảm tốc độ nguội, hạn chế tổ chức cứng giòn và nứt nguội ở HAZ.
- WPS (Welding Procedure Specification): văn bản quy định thông số hàn (dòng điện, tốc độ, gia nhiệt...) đã được thẩm định cho một tổ hợp vật liệu — quy trình hàn cụ thể.
Tài liệu tham khảo
- PMPA, Carbon Equivalent And Weldability (ngưỡng CE 0,40 và 0,60, khuyến nghị gia nhiệt/xử lý sau hàn theo vùng giá trị): https://www.pmpa.org/carbon-equivalent-and-weldability/
- Welding Answers, Using the Carbon Equivalent Method to Determine Weldability of Steels (đối chiếu độc lập ngưỡng thực hành 0,35–0,55 cần gia nhiệt, trên 0,55 cần cả gia nhiệt và xử lý sau hàn): https://weldinganswers.com/using-the-carbon-equivalent-method-to-determine-weldability-of-steels/
- Migal, Explanations carbon equivalent (công thức CE IIW đầy đủ: CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15): https://www.migal.co/en/service/welding-calculators/carbon-equivalent-calculator/explanations-carbon-equivalent
Xem thêm trong chủ đề này: checklist kiểm tra chất lượng mối hàn → · tCVN 7571 → · iSO 9606: bậc thợ hàn 1G–6G nghĩa là gì → · ký hiệu mối hàn TCVN/ISO 2553 → · tính bền mối hàn góc và đối đầu →