HIỂU VỀ HÀN NHÔM VÀ HÀN THÉP

Trong nhiều trường hợp, hàn nhôm đòi hỏi phải tuân theo một số nguyên tắc đặc biệt. Một yếu tố quan trọng là chọn lựa kim loại bù phù hợp với vật liệu ban đầu và các ứng dụng của nó.

 

Để hàn được nhôm (aluminum), cần phải giải quyết một số yêu cầu đặc thù hơn so với hàn thép (steel) và các vật liệu phổ biến khác, đặc biệt là về mặt hóa học và độ nhạy gãy nứt.

Trong nhiều trường hợp, hàn nhôm đòi hỏi phải tuân theo một số quy tắc đặc biệt. Các yếu tố quan trọng cần lưu ý bao gồm: chọn kim loại bù (filler metal) phù hợp; lưu trữ thích hợp và làm sạch triệt để các vật liệu ban đầu; và quan trọng nhất là sử dụng kỹ thuật hàn thích hợp.

Dưới đây là một số thách thức phổ biến khi hàn nhôm và hướng giải quyết

 

Đặc tính của nhôm

Đặc tính của nhôm có nhiều điểm khác biệt so với thép. Nhiệt độ nóng chảy của nhôm (660oC) thấp hơn nhiều so với thép (1370oC). Nhôm lại có lớp oxit trên bề mặt, nóng chảy ở khoảng 2000 oC. Lớp oxit này cứng hơn nhiều so với nhôm và giúp vật liệu chống ăn mòn và mài mòn. Tuy nhiên, nó cũng hoạt động như một chất cách điện, gây ra một số vấn đề trong quá trình hàn.

Bởi vì độ bền của nhôm có xu hướng tăng khi nhiệt độ cung cấp giảm – không giống như thép, trở nên giòn hơn khi nhiệt độ cung cấp giảm – nên nhôm thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ lạnh, chẳng hạn như đông lạnh và vận chuyển khí tự nhiên lỏng.

Trong khi sắt (iron) là kim loại chính của thép, thì vật liệu nhôm lại là sự pha tạp của nhôm với nhiều nguyên tố khác.

Những hợp kim đã qua xử lý, như nhôm loại 1xxx, là nhôm nguyên chất không có các nguyên tố bổ sung. Các nguyên tố bổ sung trong các loại nhôm khác như đồng (loại 2xxx), mangan (loại 3xxx), silicon (loại 4xxx), magiê (loại 5xxx), magiê và silicon (loại 6xxx), kẽm (loại 7xxx) và các yếu tố khác trong loạt 8xxx.

 

Những vấn đề chính khi hàn nhôm

Các đặc tính khác nhau của nhôm được thể hiện rõ trong quá trình hàn. Độ dẫn nhiệt (thermal conductivity) và độ rỗ (porosity) là hai điểm khác biệt lớn nhất của hàn nhôm so với thép.

Hydro tan mạnh trong nhôm lỏng. Khi kim loại bù và vật liệu nhôm nóng chảy trong quá trình hàn, chúng hấp thụ hydro và có thể giữ nó trong dung dịch. Khi mối hàn bắt đầu cứng lại, nó không thể giữ hydro trong hỗn hợp đồng nhất nữa. Các hydro tạo nên bọt khí và bị mắc kẹt trong kim loại, dẫn đến bị rỗ.

Hỗn hợp khí bảo vệ He và Ar có thể được sử dụng để ngăn chặn mối hàn không bị rỗ. Lưu ý rằng nếu sử dụng hỗn hợp khí heli, điện áp phải được tăng lên để vượt qua khả năng ion hóa cao hơn của khí này so với khí argon. Điện áp tăng sẽ làm cho nhiệt độ đầu vào cao hơn, giúp thâm nhập dễ hơn, đó là lý do tại sao hỗn hợp này được sử dụng trên các vật liệu nhôm dày.

Làm sạch hoàn toàn vật liệu nhôm trước khi hàn để loại bỏ dầu, bụi bẩn, cặn và độ ẩm. Điều này giúp đảm bảo kết quả tốt nhất và giảm khả năng bị rỗ.

Không giống như thép, sự có mặt của hydro không gây ra nứt gãy trong các mối hàn nhôm. Tuy nhiên, nứt nóng, có thể xảy ra khi mối hàn cứng lại, là mối đe dọa với nhôm. Để giải quyết vấn đề này, ta phải hiểu về tính chất hoá học của nó. Tham khảo biểu đồ lựa chọn kim loại bù để tìm ra vật liệu bù tốt nhất giải quyết vấn đề này.

VD: Chất liệu nhôm 6061 là chất liệu có độ nhạy nứt cao nhất, điều này khiến cho việc hàn tự động hoặc hàn với vật liệu có tính chất hoá học tương tự trở nên rất khó khăn. Sử dụng kim loại bù với các nguyên tố như magiê (ER5XXX) hoặc silicon (ER4XXX) có thể giúp tăng khả năng chống nứt gãy của vật liệu.

Một thách thức khác là nhôm có khả năng dẫn nhiệt cao gấp năm lần so với thép. Trong khi hàn, nhiệt độ tập trung của mối hàn dễ bị tản mát và điều này có thể gây ra sự giảm độ ngấu (penetration) của mối hàn. Do đó, hàn nhôm đòi hỏi nhiệt độ cung cấp ban đầu cho mối hàn cao hơn nhiều so với hàn thép.

 

Chọn kim loại bù (filler metal)

Lựa chọn kim loại bù trong hàn nhôm rất quan trọng, và phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng của mối hàn.

Một biểu đồ lựa chọn bao gồm 8 đặc điểm quan trọng trong các ứng dụng hàn: độ nhạy vết nứt (crack sensitivity), độ dẻo (ductility), khả năng chống ăn mòn (corrosion resistance), chịu được nhiệt độ cao (evelated temperature service), màu sắc, xử lý nhiệt sau hàn, và độ bền (toughness). Bằng cách phân tích các yêu cầu của sản phẩm, ta có thể xác định được tính chất nào là quan trọng nhất trong ứng dụng cụ thể và lựa chọn kim loại phụ phù hợp nhất với các đặc tính cần thiết đó.

Lựa chọn kim loại bù đúng cách là vô cùng quan trọng. Ví dụ, nếu vật liệu hàn là nhôm 6061, các tùy chọn kim loại bù tốt bao gồm 4043, 4943 và 5356. Dây hàn (MIG) hoặc que bù (TIG) loại 4043/4943 sẽ làm giảm độ rỗ và cung cấp khả năng hàn cao hơn và tăng tính lưu động của vũng hàn, trong khi loại 5356 sẽ cho độ bền và độ cứng cao hơn.

 

Hướng dẫn hàn

Cùng với việc lựa chọn kim loại bù thích hợp, kỹ thuật hàn đúng cũng sẽ giúp cho ra được mối hàn nhôm tốt hơn.

  • Không sử dụng kỹ thuật đan (weave).
    Mặc dù kỹ thuật hàn đan thường được sử dụng để hàn thép, nhưng không nên sử dụng với hàn nhôm. Thay vào đó, sử dụng kỹ thuật hàn kéo thẳng (stringer bead), giúp đảm bảo độ ngấu và tính đồng nhất. Đối với hàn MIG nhôm, đảm bảo cấp nhiệt vào cao hơn và tốc độ di chuyển súng nhanh để không chạm vũng hàn.
  • Làm sạch kim loại.
    Làm sạch hoàn toàn vật liệu trước khi hàn để loại bỏ dầu, bụi bẩn, cặn và độ ẩm. Điều này giúp mối hàn chắc chắn, đẹp và giảm khả năng bị rỗ. Có thể sử dụng axeton hoặc chất tẩy rửa nhôm để loại bỏ hydrocarbon bám trên bề mặt vật liệu. Khi chuẩn bị các khớp hàn (weld joint), không nên thổi bằng khí nén (compressed air), dễ gây nhiễm bẩn nếu dụng cụ không được làm sạch.
  • Loại bỏ lớp oxit bề mặt
    Sau khi làm sạch, sử dụng bùi nhùi inox (mới hoặc chỉ được sử dụng cho nhôm) để loại bỏ lớp oxit nhôm trước khi hàn. Như đã nói, oxit nhôm có điểm nóng chảy (melting point) cao hơn nhiều so với nhôm và hoạt động như một chất cách điện (insulator), điều này có thể gây ra vấn đề khi mồi hồ quang, do đó cần cung cấp nhiệt độ rất lớn để có thể hàn qua lớp oxit này. Điều này có thể gây thủng vật liệu hàn và mối hàn bị rỗ, bởi lớp oxit có khả năng giữ ẩm.
  • Bảo quản đúng cách
    Bảo quản đúng cách vật liệu hàn và vật liệu bù đóng vai trò quan trọng giúp ngăn mối hàn bị rỗ. Giữ tấm nhôm trong điều kiện khô ráo, tránh ánh sáng mặt trời. Nếu phải để ngoài, hãy xếp các tấm theo chiều dọc thay vì để chồng lên nhau để tránh đọng nước, điều này sẽ góp phần vào tạo nên một lớp oxit nhôm dày hơn. Đối với vật liệu và kim loại bù được lưu trữ bên ngoài hoặc trong phòng điều hoà, hãy mang chúng vào bên trong trước khi hàn, tốt nhất là trước đó 1 ngày, để giúp cho nhiệt độ kim loại ổn định và ngăn không khí ẩm ngưng tụ trên vật liệu.
  • Kiểm tra các phụ kiện hàn.
    Một số vấn đề với hàn nhôm, đặc biệt là khi sử dụng hàn MIG có thể bắt nguồn từ phụ kiện. Để giúp giảm nguy cơ bị rỗ, hãy sử dụng các đường ống và ống hơi mới hoặc trong tình trạng tốt, đảm bảo tất cả các khớp nối đều chặt, tránh không khí lọt vào trong đường ống.
    Sử dụng đúng loại ruột gà (liner) và bánh dẫn dây (drive roll) cũng rất quan trọng. Ruột gà nhựa và thau dẫn hướng (inlet guides – thau gắn súng MIG) có thể đem lại hiệu quả cao hơn so với ruột gà thép trong việc hàn nhôm vì các thanh dẫn đầu vào bằng kim loại hoặc đồng thau và ruột gà bằng thép có thể làm gãy dây nhôm vốn mềm hơn – khi nó đi qua hệ thống dẫn dây bên trong súng và rùa hàn. Điều này có thể dẫn đến việc tắc ruột gà, ảnh hướng đến quá trình cấp dây. Tương tự, bánh dẫn dây khoét rãnh chữ U (U-groove drive roll) là tiêu chuẩn cho các ứng dụng hàn nhôm vì các loại bánh dẫn dây khác có thể làm gãy hoặc làm biến dạng dây hàn.
  • Kiểm soát nhiệt độ.
    Tham khảo hướng sử dụng kim loại bù nhôm để xác định việc làm nóng sơ bộ (preheating) và khoảng cấp nhiệt phù hợp. Làm nóng sơ bộ giúp giảm các hiệu ứng nhiệt của kích thước tiết diện khi hàn các vật liệu dày hoặc các vật liệu có độ dày không tương đương nhau, nhưng cần chú ý giữ cho gia nhiệt ban đầu ở mức tối thiểu đối với các ứng dụng nhôm.
    Vật liệu hàn có khả năng xử lý nhiệt và vật liệu loại 5xxx có chứa hơn 3 phần trăm magiê không chịu được gia nhiệt lên đến trên 121oC trong 15 phút. Xử lý vật liệu ở nhiệt độ cao quá lâu sẽ làm giảm độ bền và tăng khả năng gãy nứt của vật liệu.

 

Những vấn đề trong hàn nhôm chủ yếu đến từ sự khác biệt về tính chất hoá học của vật liệu này so với hàn thép. Bởi thế, việc lựa chọn vật liệu hàn và vật liệu bù thích hợp sẽ giúp đạt hiệu quả tốt hơn và giảm thiểu các vấn đề. Ngoài ra, tuân thủ các kỹ thuật khác biệt của hàn nhôm so với hàn thép cũng là một yếu tố không thể bỏ qua.

Tác giả: Matt Underwood (theo The Fabricator)                                              

Người dịch: Vũ Ngọc Linh

 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *