Hàn là gì? Tìm hiểu công nghệ Hàn

1. Lịch sử phát triển ngành Hàn

Hồ quang điện được Sir Humphrey Davy sáng chế ra năm 1801. Tuy nhiên mãi đến năm 1881, Auguste de Meritens mới thực hiện thành công ý tưởng dùng hồ quang điện cực carbon để hàn nối các tấm chì với nhau. Năm 1887, nhà khoa học người Nga, Nikolai Bernados được cấp bằng sáng chế của Anh Quốc cho phương pháp sử dụng hồ quang điện cực carbon để hàn các chi tiết bằng công nghệ hàn tay. Sau đó cho đến khoảng đầu thập kỷ 1890, phương pháp hàn hồ quang bằng điện cực carbon đã được ứng dụng thương mại tại Châu Âu và Mỹ nhưng với phạm vi hạn chế do sử dụng điệp áp và cường độ dòng hàn quá cao (100÷300V và 600÷1000A)

Năm 1889, độc lập với nhau, N.G Slavianov (người Nga) và Charles Coffin (người Mỹ) đều được cấp bằng sáng chế cho phương pháp hàn hồ quang tay có sử dụng điện cực kim loại, thay vì điện cực carbon

Oscar Kjellberg (người Thụy Điển) được coi là người đầu tiên đưa ra ý tưởng hàn hồ quang tay bằng que hàn có vỏ bọc mà chúng ta quen dùng ngày nay. Năm 1907, ông được cấp bằng sáng chế cho phương pháp đó

Năm 1932, ý tưởng đặt một lớp thuốc hàn khô lên bề mặt liên kết tại phía trước hồ quang của điện cực carbon đã biến thành hiện thực. Dưới sự lãnh đạo của Viện si E.O. Paton, năm 1939, hàn dưới lớp thuốc được đưa vào sử dụng lần đầu tiên tại Liên Xô. Cho đến giữa năm 1942, do ứng dụng thành công, công nhệ này, ngành công nghiệp quốc phòng của Liên Xô đã sản xuất được nhiều xe Tank hơn nước Đức, góp phần không nhỏ vào chiến thắng chung của nhân loại trước hiểm họa phát xít

Năm 1919, Roberts và Van Nuys đã thử nghiệm khả năng dùng khí để bảo vệ hồ quang hàn. Nhưng đến năm 1940, phương pháp hàn sử dụng khí trơ để bảo vệ hồ quang của điện cực Vonfram trong hàn tấm mỏng magie và thép không gỉ mới được ứng dụng thành công (dùng máy hàn một chiều). Năm 1946, nhờ có bộ ion hóa tần số cao kết hợp với các tụ điện có điện dung cao, người ta đã sử dụng cả dòng điện xoay chiều cho phương pháp hàn này

Năm 1950, hàn nhôm trong môi trường khí trơ bằng điện cực nóng chảy đã được áp dụng. Sau đó thay vì khí trơ, người ta còn sử dụng khí CO₂ và hỗn hợp khí Argon + Oxy (năm 1955) cho các kim loại khác. Năm 1960, hàn bằng điện cực lõi thuốc ra đời. Tiếp tục trong thập kỷ 1960, người ta cũng áp dụng hàn xung bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí trơ

Năm 1949, cũng dưới sự lãnh đạo của Viện sĩ E.O.Paton (Liên Xô), hàn điện xỉ ra đời, cho phép hàn được các tấm kim loại rất dày. Cuối những năm 1950, hàn bằng tia điện tử xuất hiện, tạo điều kiện hàn cho kết cấu kim loại có đòi hỏi rất cao, đặc biệt trong ngành hàng không

Ngày nay đã có khoảng hơn 130 phương pháp hàn khác nhau, ứng dụng trong mọi ngành công nghiệp để chế tạo những sản phẩm từ nhỏ nhất như vi mạch điện tử cho đến lớn nhất như tàu biển, cầu đường,….

2. Hàn là gì?

Hàn là một phương pháp công nghệ nhằm đạt được mối liên kết bền vững không tháo rời được, bằng cách dùng nguồn nhiệt nung nóng vật liệu chỗ liên kết đến trạng thái chảy hoặc chảy dẻo, sau đó kim loại kết tinh (ứng với trạng thái lỏng) hoặc dùng lực ép (đối với trạng thái dẻo) để tạo nên liên kết hàn. Vị trí nối các chi tiết của liên kết gọi là mối hàn

Để tạo ra các liên kết hàn có thể sử dụng các phương pháp sau:

• Nung nóng chỗ nối (cạnh hàn) đến trạng thái nóng chảy, sau đó kim loại lỏng kết tinh tạo thành mối hàn
• Nung chảy vật liệu trung gian, còn cạnh hàn chỉ nung đến nhiệt độ nhất định nào đó sau đó vật liệu trung gian kết tinh lại tạo thành mối hàn
• Nung nóng cạnh hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng ngoại lực tác dụng để tạo nên liên kết hàn

3. Đặc điểm và công dụng của Hàn

3.1. Đặc điểm của Hàn

Công nghệ hàn phát triển nhanh và được ứng dụng rộng rãi là nhờ các ưu điểm sau:

• Liên kết hàn được đặc trưng bởi tính liên tục và nguyên khối đó là liên kết cứng và không tháo rời được
• Với cùng khả năng làm việc, so với phương pháp nối ghép khác (bulong, đinh tán, …) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm 10÷20% khối lượng kim loại
• So với đúc kim loại, hàn có thể tiết kiệm được tới 50% khối lượng kim loại
• Hàn có thể chế tạo được các liên kết từ các vật liệu có tính chất khác nhau. Ví dụ liên kết từ kim loại đen với kim loại màu, hoặc kim loai với vật liệu phi kim loại
• Tạo được các chi tiết, các kết cấu phức tạp mà các phương pháp công nghệ khác khó thực hiện hoặc không thực hiện được
• Năng suất quá trình hàn cao, dễ cơ khí hóa hoặc tự động hóa
• Mức độ đầu tư cho phương pháp hàn không cao

Tuy vậy, do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập trung trong thời gian ngắn, nên kết cấu Hàn thường có nhược điểm:

• Tổ chức và tính chất kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể thay đổi theo chiều hướng xấu (đặc biệt dành cho các “vật liệu khó Hàn”) làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt khi làm việc dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ,…
• Trong kết cấu hàn thường tồn tại ứng suất dư và biến dạng dư, ảnh hưởng đáng kể đến hình dạng, kích thước, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc của sản phẩm

3.2. Ứng dụng của Hàn

Hàn có một số ứng dụng như:

• Áp dụng trong chế tạo kết cấu: các thiết bị, kết cấu máy, đường ống, nồi hơi, thùng chứa…..
• Phục hồi trong các chi bị mài mòn trong quá trình làm việc
• Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc: hàn và vá các chỗ khuyết, rỗ khí, co lõm….

4. Phân loại Hàn

Có 6 cách phân loại Hàn như sau

1. 1. Phân loại theo đặc trưng nguồn nhiệt hàn
   2. Phân loại theo mức độ điều khiển quá trình hàn
   3. Phân loại theo dòng điện hàn
   4. Phân loại theo hồ quang hàn
   5. Phân loại theo tính chất điện cực
   6. Phân loại theo môi trường bảo vệ vùng hàn

4.1. Phân loại theo đặc trưng nguồn nhiệt hàn

Theo đặc trưng nguồn nhiệt hàn, có thể chia hàn điện nóng chảy thành:

• Hàn hồ quang
• Hàn điện xỉ
• Hàn tia điện tử
• Hàn tia laser

Dùng nguồn nhiệt có công suất lớn như: hồ quang điện, ngọn lửa khí, ngọn lửa plasma,…. để làm nóng chảy cạnh hàn và que hàn bổ sung sau đó kim loại lỏng kết tinh để tạo thành mối hàn

Khi hàn nóng chảy, các khí xung quanh nguồn nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến việc hình thành mối hàn. Do đó để điều chỉnh quá trình hàn theo chiều hướng tốt thì phải dùng biện pháp công nghệ nhất định như: dùng thuốc hàn, khí bảo vệ, hàn trong chân không,….

4.2. Phân loại theo mức độ điều khiển quá trình hàn

Tùy theo cách thức điều khiển quá trình hàn (gây hồ quang, thao tác điện cực, chuyển dịch điện cực theo đường hàn và cách kết thúc quá trình hàn,…) có thể chia hàn nóng chảy thành

• Hàn tay: là phương pháp hàn mà trong suốt thời gian hàn, người thợ hàn dùng tay để thao tác mỏ hàn hoặc kìm hàn
• Hàn bán tự động: là phương pháp hàn mà trong suốt thời gian hàn, thợ hàn thao tác súng hàn bằng tay và thiết bị hàn tự động cấp dây hàn vào súng hàn
• Hàn cơ giới: là phương pháp hàn chỉ đòi hỏi dùng tay tác động vào bộ phận điều khiển của thiết bị để điều chỉnh mỏ hàn hoặc kìm hàn nhằm đáp ứng các thay đổi nhận biết được qua quan sát hàn bằng mắt
• Hàn tự động: là phương pháp hàn mà thiết bị hàn sử dụng không đòi hỏi hoặc chỉ đòi hỏi tối thiểu việc quan sát quá trình hàn, và không phải dùng tay điều chỉnh bộ phận điều khiển của thiết bị
• Hàn bằng robot: là hàn và điều khiển trong khi hàn bằng thiết bị hàn robot
• Hàn có điều khiển thích nghi: là phương pháp hàn có sử dụng một hệ thống điều khiển cho phép xác định các thay đổi về điều kiện hàn một cách tự động và ra lệnh cho thiết bị tiến hành các hoạt động thích hợp

4.3. Phân loại theo loại dòng điện hàn

Các loại dòng điện hàn được sử dụng là dòng một chiều cực thuận (điện cực nối với cực âm của nguồn điện hàn), dòng một chiều cực nghịch và dòng xoay chiều

Tùy theo phương pháp hàn mà người ta sử dụng một trong các phương pháp đấu nối đó. Ví dụ để hàn dưới lớp thuốc hoặc hàn trong môi trường khí bảo vệ, người ta dùng dòng điện hàn một chiều cực nghịch

4.4. Phân loại theo loại hồ quang

Có các loại hồ quang hàn sau:

• Hồ quang trực tiếp (giữa điện cực và kim loại cơ bản)
• Hồ quang gián tiếp (giữa 2 điện cực, kim loại cơ bản không tạo thành một phần của mạch điện hàn). Hồ quang trực tiếp được sử dụng phổ biến do có hiệu suất cao hơn

4.5. Phân loại theo tính chất điện cực

Theo tính chất điện cực, có hàn bằng điện cực nóng chảy và không nóng chảy (điện cực graphit, vonfram,….). Với hàn bằng điện cực nóng chảy, hồ quang hình thành giữa kim loại cơ bản và điện cực nóng chảy (dây hàn hoặc lõi que hàn). Đây là dạng điện cực phổ biến nhất

4.6. Phân loại theo môi trường bảo vệ vùng hàn

Theo môi trường bảo vệ vùng hàn có thể chia ra:

• Hàn không có bảo vệ (rất ít dùng)
• Hàn trong môi trường bảo vệ của xỉ (hàn bằng que hàn vỏ bọc dày, hàn dưới lớp thuốc, hàn điện xỉ)
• Hàn trong môi trường bảo vệ của khí và xỉ (hàn hồ quang tay)
• Hàn trong môi trường của khí bảo vệ
• Hàn trong môi trường bảo vệ hỗn hợp (môi trường khí và xỉ hàn)

Bên dưới là một số quá trình hàn này

4.6.1. Hàn hồ quang tay

Khi hàn, vỏ bọc que hàn tạo ra môi trường bảo vệ khỏi tác dụng của khí từ bên ngoài, ổn định hóa hồ quang, hợp kim hóa và tinh luyện kim loại mối hàn.

Hàn hồ quang tay được thực hiện bằng que hàn có vỏ bọc, nhiệt của hồ quang hàn làm chảy một phần kim loại cơ bản và que hàn. Sau khi kết tinh, kim loại nóng chảy tạo thành mối hàn

4.6.2. Hàn hồ quang dưới lớp thuốc

Dây hàn và thuốc hàn có thành phần độ hạt nhất định được đưa vào vùng hồ quang (xem minh họa bên dưới). Nhiệt của hồ quang nung chảy cạnh của kim loại cơ bản, dây hàn và một phần thuốc hàn. Cùng với sự di chuyển của hồ quang, thuốc hàn nóng chảy nổi trên bề mặt vũng hàn và kết tinh, tạo thành một lớp xỉ dễ bong trên bề mặt kim loại mối hàn, đồng thời kim loại vũng hàn sẽ kết tinh dưới dạng mối hàn. Xỉ hàn có tác dụng bảo vệ kim loại nóng chảy khỏi tác dụng của không khí bên ngoài, hợp kim hóa mối hàn và giảm tốc độ nguội kim loại mối hàn

4.6.3. Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

Khi hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (hình minh họa), môi trường bảo vệ có thể do các khí trơ (Ar, He,…) hoặc khí hoạt tính (CO₂, H₂, N₂,…) hoặc kết hợp khí hỗn hợp (Ar+He, Ar+O₂, CO₂+O₂,….) tạo nên

Khí bảo vệ có chức năng ngăn không cho không khí tiếp xúc với kim loại nóng chảy và phần kim loại cơ bản bị nung nóng (trong trường hợp các kim loại có hoạt tính cao như Titan)

4.6.4. Hàn điện xỉ

Phần lớn lượng nhiệt cần để nung chảy kim loại đắp và một phần kim loại cơ bản do dòng điện qua xỉ hàn (thuốc hàn ở trạng thái nóng chảy) tạo ra. Hàn bằng phương pháp này được thực hiện ở tư thế thẳng đứng của các cạnh hàn và được tạo dánh cưỡng bức kim loại mối hàn

Các chi tiết cần hàn được hàn gá với nhau qua các tấm gá hình chữ U, với khe hở từ 20÷30mm. Để ngăn kim loại và xỉ lỏng chảy tràn ra ngoài và đảm bảo tạo dáng bình thường mối hàn, 2 bên khe hở hàn được ép bằng các tấm trượt bằng đồng có nước làm mát

Bể xỉ nằm giữa các tấm trượt và mép hàn được hình thành từ thuốc hàn ở trạng thái nóng chảy. Thông thường quá trình hình thành bể xỉ như sau:

• Ban đầu mồi hồ quang giữa dây hàn và đáy mối hàn có chứa phoi sắt vụn, khi đó thuốc hàn nóng chảy ra (ở trạng thái lỏng, nó mang tính dẫn điện) sẽ gây ngắn mạch và hồ quang kết thúc, quá trình điện xỉ sẽ tiếp diễn thay cho quá trình hồ quang
• Dây hàn (điện cực) được cơ cấu đẩy dây đưa vào bể xỉ với tốc độ xác định
• Dòng điện hàn được đưa vào mạch hàn thông qua ống dẫn (đầu kẹp điện cực). Nhiệt độ bể xỉ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cần hàn, khiến cho xỉ hàn làm nung chảy dây hàn và mép vật hàn tại khe hở hàn
• Kim loại nóng chảy sẽ chảy xuống dưới bể xỉ và tạo thành vũng hàn (bể kim loại nóng chảy)
• Do một phần nhiệt sinh ra được truyền vào kim loại cơ bản và vào nước làm mát các tấm trượt, vũng hàn sẽ kết tinh từ dưới lên, sau đó tạo thành mối hàn

Quá trình hàn này có năng suất cao nhất khi hàn các tấm có chiều dày lớn

4.6.5. Hàn hồ quang bằng điện cực lõi bột

Hàn hồ quang bằng điện cực lõi thuốc (còn gọi là hàn bằng điện cực lõi thuốc, hàn bằng điện cực lõi bột) có nguồn gốc từ quá trình hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, trong đó điện cực nóng chảy là một ống kim loại bên trong được điền đầy bằng thuốc hàn và bột kim loại với chức năng tương tự như vỏ bọc que hàn (xem minh họa bên dưới). Quá trình hàn có thể được thực hiện theo 1 trong 2 phương pháp:

• Có sử dụng khí bảo vệ
• Không sử dụng khí bảo vệ (dây hàn tự bảo vệ)

Kết luận

Qua bài viết này bạn có thể hiểu rõ hơn về Hàn, các ưu và nhược điểm của công nghệ Hàn, đây cũng là những nền tảng cơ bản có thể giúp bạn làm việc với công việc Hàn một cách tốt nhất. Nếu có câu hỏi nào bạn có thể đặt câu hỏi bên dưới phần bình luận, MZE sẽ hỗ trợ bạn trong phạm vi cho phép. Nếu có chia sẻ bài viết xin vui lòng dẫn nguồn về MzEngineer.org