Các khí và hỗn hợp khí khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến ứng dụng hàn?
Bạn đã từng tự hỏi bất kỳ câu hỏi nào trong những câu hỏi sau chưa:
1. Tại sao khí hàn được sử dụng ảnh hưởng đến việc hàn?
2. Tại sao trên thị trường có nhiều hỗn hợp khí hàn đến vậy?
3. Tại sao tôi có thể sử dụng một số khí nhất định cho một số vật liệu nhất định mà không phải các loại khác?
Việc trả lời các câu hỏi này sẽ giúp bạn hiểu được bí ẩn đằng sau việc lựa chọn khí hàn và có sự lựa chọn đáp ứng được công việc của bạn. bạn có thể lựa chọn trong số các hỗn hợp khí cho hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí (GMAW), hàn hồ quang điện cực vonfram (GTAW), hoặc hàn hồ quang lõi thuốc (FCAW). Với mỗi qui trình hàn này, khí bảo vệ đều thực hiện nhiều nhiệm vụ. Nó không chỉ bảo vệ vũng hàn nóng chảy khỏi sự xâm hại của không khí, mà còn có thể tăng cường sự ổn định hồ quang, quyết định phương thức chuyển dịch kim loại đạt được, ảnh hưởng đến tốc độ hàn, và ảnh hưởng hưởng đến chất lượng điền đầy mối hàn hoàn thiện. Lựa chọn khí bảo vệ phù hợp là vô cùng quan trọng đối với sự thành công của qui trình hàn.
Bạn có thể có nhiều cách tiếp cận với việc lựa chọn khí hàn, nhưng để có sự lựa chọn tốt nhất, bạn phải nắm rõ các yêu cầu của mối hàn hoàn thiện là gì.
Hãy đặt các câu hỏi:
1. Loại vật liệu cần hàn là loại nào?
2. Mức độ quan trọng của hình thức mối hàn?
3. Bắn tóe có đáng quan tâm không?
4. Nâng cao năng suất có phải mối quan tâm chính không?
5. Mối hàn có cần độ thấu sâu không, hay cần giảm thiểu độ thấu để giảm cháy xuyên ở mối hàn?
6. Việc giảm khói hàn có quan trọng không?
Hãy ghi nhớ các câu hỏi này khi bạn giải quyết vấn đề lựa chọn khí bảo vệ cho ứng dụng hàn của mình.
Qui trình nào là tốt nhất cho ứng dụng này?
Khi quyết định qui trình hàn nào áp dụng tốt nhất cho ứng dụng của mình, bạn hãy tính đến loại vật liệu cơ bản, độ dày vật liệu cơ bản, và tư thế hàn.
Theo kinh nghiệm, bạn nên sử dụng qui trình GTAW nếu muốn có kết quả hàn ổn định nhất khi hàn các vật liệu mỏng hơn 0.040” (1.0mm). Với các vật liệu dày hơn, GMAW thường sẽ là qui trình kinh tế hơn. FCAW nên được tính đến trong một số trường hợp nhất định để tăng năng suất, đặc biệt là trên vật liệu bị gỉ sét hoặc khi hàn đứng hoặc hàn trần.
Ngoài ra, bạn cũng nên tính đến độ thấu mối hàn, tư thế hàn và chất lượng mối hàn. Qui trình này cũng kinh tế hơn khi hàn ở các tư thế hàn sấp, ngang, hoặc hơi nằm do tốc độ điền đầy đạt được sẽ cao hơn. Với qui trình hàn FCAW hoặc GMAW xung và chuyển dịch phun thông thường, năng suất có thể tăng lên. Chất lượng mối hàn tối ưu có thể đạt được với qui trình hàn GTAW, nhưng qui trình này đòi hỏi kỹ năng người thợ cao hơn và tốc độ điền đầy mối hàn chậm hơn so với qui trình GMAW hoặc FCAW.
Ghi chú: Trường hợp nhiều đề xuất khí bảo vệ cho cùng một qui trình, loại vật liệu và độ dày có nghĩa rằng sự lựa chọn sẽ dựa trên các nhu cầu cụ thể của ứng dụng đang được xem xét.
Khí 1 thành phần, 2 thành phần và 3 thành phần là gì?
Ba khí tinh khiết đóng vai trò nền tảng tạo nên hỗn hợp khí cho các qui trình hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ gồm: Argon (Ar), Heli (He) và Cacbon Dioxit (CO2). Trong nhiều trường hợp, các khí khác như oxy (O2), nitơ (N2) và hydro (H2) có thể được thêm vào để điều chỉnh các đặc tính hồ quang, vũng hàn nóng chảy hoặc mối hàn. Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến sự chuyển dịch kim loại và hiệu quả chúng đạt được trong hàn GMAW và FCAW. Sự điều chỉnh thành phần hỗn hợp này giúp đáp ứng nhu cầu công việc.
Câu hỏi tiếp theo là loại khí nào làm nhiệm vụ gì trong các qui trình hàn GMAW, GTAW và FCAW.
Argon. Argon nặng hơn không khí, có tính dẫn nhiệt thấp, và có khả năng i-ôn hóa dễ dàng trong hồ quang hàn. Điều này có nghĩa rằng argon tạo thành lớp bảo vệ dày đặc vùng mối hàn (do đó lưu lượng cần thiết sẽ thấp hơn), cung cấp các đặc tính hồ quang tương đối hẹp với tính dẫn điện tốt (có nghĩa là sẽ dễ mồi hồ quang). Nó có thể được sử dụng một mình trong hàn GTAW và cho hàn GMAW trên nhôm và các kim loại màu khác. Argon là thành phần khí bảo vệ chủ yếu khi muốn hàn năng suất cao, cần chuyển dịch kim loại dạng phun trong hàn GMAW hoặc FCAW cho hàn thép và thép không gỉ.
Heli. Heli nhẹ hơn đáng kể so với không khí, có nghĩa rằng lưu lượng cần thiết sẽ cao hơn so với argon hoặc CO2. Nó có tính dẫn nhiệt tốt nhưng tính dẫn điện lại thấp hơn so với argon (mồi hồ quang cần điện áp cao hơn). Heli thường được trộn với các khí khác để tối ưu hóa các đặc tính hoạt động. Các hỗn hợp khí được tăng cường thêm Heli có thể hàn được mọi loại vật liệu sử dụng qui trình hàn GMAW, GTAW hoặc FCAW.
Cacbon Dioxit. CO2 phân ly ở nhiệt độ hồ quang và tái kết hợp khi tiếp xúc với vật liệu cơ bản ở nhiệt độ nguội hơn, truyền năng lượng hồ quang cho vũng hàn. Việc thêm CO2 mang lại đường hàn rộng hơn và độ thấu sâu hơn. Hỗn hợp khí có tính oxy hóa được sinh ra bên trong vùng hồ quang sinh ra nhiều xỉ hơn trên bề mặt của đường hàn GMAW đã đóng rắn. CO2 có thể được sử dụng một mình hoặc như là một thành phần chính (thường từ 5-15%) trong hỗn hợp với argon trong qui trình hàn GMAW và FCAW.
Oxy. O2 giúp nâng cao hiệu suất hồ quang trong qui trình hàn GMAW bằng cách tăng tính ổn định hồ quang trong khi giảm sức căng bề mặt của vũng hàn. Điều này giúp cho vũng hàn trở nên lỏng hơn và có đặc tính ướt tốt hơn. Do O2 phản ứng với các thành phần của dây hàn hoặc điện cực hàn, nên nó cũng góp phần tạo ra xỉ trên bề mặt đường hàn. Nó thường được trộn ở tỷ lệ 2-5% trong hỗn hợp khí trộn với argon là thành phần chính.
Nitơ và Hydro. N2 và H2 thường chỉ được sử dụng để hàn inox nhóm 300 (austenitic) hoặc duplex. N2 có thể giúp tăng độ thấu mối hàn và tính ổn định hồ quang. H2 có thể nâng cao tính lỏng của vũng hàn và độ sạch của bề mặt mối hàn. Ứng dụng của hai khí này thường được giới hạn ở các ứng dụng hàn thép không gỉ, do nitơ có thể gây rỗ khi hàn thép cacbon, còn hydro có thể làm tăng nguy cơ rạn, nứt trên một số vật liệu này.
Các khí được trộn như thế nào để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng?
Để hiểu được cơ chế mà các hỗn hợp khí khác nhau hoạt động trong các ứng dụng khác nhau, điều quan trọng đầu tiên là phải hiểu được sự khác nhau giữa các hỗn hợp hai và ba thành phần.
Các hỗn hợp hai thành phần. Các hỗn hợp hai thành phần truyền thống cho hàn GMAW trên thép cacbon là các hỗn hợp của argon kết hợp với những tỷ lệ được kiểm soát của O2 và CO2. Các hỗn hợp Argon/O2 trước đây là sự lựa chọn tiêu chuẩn cho phương thức chuyển dịch phun thông thường hoặc phun có xung, nhưng trong nhiều ứng dụng chúng đã được thay thế bởi các hỗn hợp argon/CO2.
Khi các hỗn hợp argon/CO2 được sử dụng để thay thế bởi các hỗn hợp argon/O2, hình thức đường hàn được cải thiện với ít oxit trên bề mặt hơn, hình dạng đường hàn đẹp hơn và kiểm soát tính lỏng tốt hơn. Ngoài ra, nó cũng giúp tạo ra biên dạng thấu dễ kiểm soát hơn, rộng hơn và vân dạng ngón tay ít rõ nét hơn. Khi tăng tỷ lệ CO2, độ thấu sẽ sâu hơn, nên có thể gây cháy xuyên trên các vật liệu mỏng. Mức bắn tóe và khói hàn cũng tăng lên khi hàm lượng CO2 tăng lên. Việc chuyển đổi từ các hỗn hợp khí được tăng cường thêm O2 sang các hỗn hợp argon/CO2 thường mang lại kết quả chất lượng cao hơn, ổn định hơn. Tốc độ hàn có thể tăng lên 15-20% bằng cách lựa chọn hỗn hợp khí argon trộn với 5-15% CO2 trong các ứng dụng mà trước đây argon được trộn với 1-5% O2.
Đối với hàn FCAW trên thép cacbon hoặc thép không gỉ, argon trộn với 25% CO2 có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả hàn ở tư thế hàn đứng hoặc hàn trần và giảm bắn tóe mối hàn. Trong các trường đặc biệt, các tỷ lệ CO2 thấp hơn có thể được sử dụng với các loại dây lõi thuốc đặc biệt để giảm khói hàn. Để tránh các sự cố chất lượng mối hàn, dây lõi thuốc phải được sử dụng phù hợp với khuyến cáo về khí bảo vệ của nhà sản xuất.
Argon trộn với 25-50% heli có thể được sử dụng để làm nhiệm vụ bảo vệ trong cả hai qui trình hàn GMAW và GTAW khi hàn nhôm và một số kim loại màu khác. Heli làm tăng nhiệt lượng truyền vào vật liệu cơ bản để tăng độ thấu và nâng cao tính lỏng của vũng hàn. Hydro (dưới 10%) cũng có thể được trộn thêm với argon cho qui trình hàn GTAW trên thép không gỉ để tăng tính lỏng của vũng hàn và nâng cao tốc độ hàn lên 10-25% trong khi vẫn mang lại hình thức đường hàn đẹp.
Các hỗn hợp ba thành phần. Để cải thiện hơn nữa hình thức đường hàn, giúp hàn dễ dàng hơn khi có chất tạp nhiễm trên vật liệu cơ bản, và tăng tính linh hoạt cũng như năng suất hàn nói chung, các hỗn hợp khí bảo vệ ba thành phần có thể là một lựa chọn tốt.
Các hỗn hợp khí ba thành phần có thể hoạt động hiệu quả trong phương thức chuyển dịch ngắn mạch, chuyển dịch phun và chuyển dịch phun có xung. Các lợi ích của chúng bao gồm tính ổn định hồ quang được cải thiện, giảm bắn tóe và các đặc tính làm ướt đường hàn tốt hơn.
Argon trộn với CO2 và O2 có thể mang lại tính linh hoạt khi hàn các loại vật liệu và độ dày khác nhau trên thép cacbon. Ar/He/CO2 (25-35% He, 1-10% CO2) có thể giúp tăng tốc độ hàn. Các hỗn hợp Ar/He trộn với một hàm lượng CO2 được kiểm soát (1-2%) phù hợp cho hàn thép không gỉ khi việc kiểm soát hàm lượng cacbon trong kim loại mỗi hàn là quan trọng. Để thu được kết quả tốt nhất với qui trình hàn GMAW, phương thức chuyển dịch phun có xung thường được đề xuất áp dụng.
FCAW cũng phù hợp để hàn thép không gỉ, đặc biệt là khi hàn ở tư thế hàn đứng hoặc hàn trần. Việc sử dụng dây lõi thuốc thường giúp tiết kiệm chi phí nhờ tốc độ đắp kim loại mối hàn cao hơn. Chúng phù hợp để hàn các chiều dày lớn hơn 14 inch (356mm) hoặc khi phương thức chuyển dịch phun không áp dụng được.
Khi hàn các hợp kim nhóm 300, bạn có thể đạt được màu sắc và hình dạng đường hàn tối ưu bằng cách sử dụng các hỗn hợp argon/CO2/H2 nhờ giảm được hỗn hợp không khí được tạo ra do sự có mặt của H2. Hỗn hợp này giảm thiểu sự hình thành oxit trên bề mặt đường hàn và tăng cường tính lỏng của vũng hàn. Tuy nhiên, không nên sử dụng các hỗn hợp khí được tăng cường thêm H2 khi hàn thép carbon thông thường.
Tiêu chuẩn công nghiệp cho hàn GMAW ngắn mạch trên thép không gỉ đã sử dụng hỗn hợp với Heli là thành phần chính (85-90%) với một tỷ lệ nhỏ Argon (5-10%) và CO2 (2-5%). Hỗn hợp khí này cho hình dạng đường hàn và màu sắc đẹp, nhưng không đa dụng như một số hỗn hợp khí khác. Một hỗn hợp Ar/CO2/N2 có thể được sử dụng để thay thế với chất lượng tương đương trong khi vẫn cho phép sử dụng ở chế độ chuyển dịch phun và phun có xung năng suất cao. Khi kết hợp với các kim loại bù có thành phần silic cao, tính lỏng của vũng hàn và hiệu quả làm ướt có thể được nâng cao. Không nên sử dụng các hỗn hợp chứa N2 khi hàn thép không gỉ và thép cacbon.
Lưu lượng khí tối ưu là bao nhiêu?
Lưu lượng khí bảo vệ được quyết định bởi qui trình hàn, tư thế hàn và các thông số vận hành. Với hàn GTAW, lưu lượng thông thường vào khoảng 10 – 20 cfh (4,72 – 9,44 l/ph). Với GTAW, việc sử dụng mỏ hàn có chụp khí sẽ giúp đảm bảo lưu lượng mảnh, góp phần không chỉ tạo ra mối hàn chất lượng tốt hơn mà còn giúp tiết kiệm ít nhất 10% lượng khí tiêu thụ.
Với qui trình GMAW và FCAW, lưu lượng khí bảo vệ thay đổi từ 30 – 45 cfh (14,16 – 21,24 l/ph), tùy thuộc vào tư thế hàn, dòng hàn và thành phần khí bảo vệ. Với hàn bằng, các hỗn hợp khí trộn thêm heli sẽ đòi hỏi lưu lượng cao hơn đôi chút so với các hỗn hợp có thành phần chính là argon. Lưu lượng khí có thể giảm nếu khoảng cách giữa bép hàn với vật hàn được duy trì gần nhau hơn. Tuy nhiên, nhiều khảo sát thực tế tại hiện trường cho thấy lưu lượng khí bảo vệ thường được đặt vượt quá 50 cfh (23,6 l/ph). Điều này có thể góp phần dẫn đến chất lượng mối hàn kém khi các khí môi trường quanh vùng hàn được kéo bật trở lại vùng hồ quang do sự nhiễu loạn mà khí thừa gây ra. Lưu lượng tối ưu giúp nâng cao chất lượng mối hàn và giảm mức tiêu thụ khí bảo vệ.
Khí bảo vệ và hiệu quả kinh tế.
Lựa chọn khí bảo vệ có vai trò rất quan trọng trong việc đạt được hiệu quả kinh tế khi hàn thép cacbon, thép không gỉ và nhôm. Bạn có thể lựa chọn khí bảo vệ một thành phần, như argon cho hàn nhôm, để mang lại tính ổn định hồ quang phù hợp, giảm thiểu bắn tóe và hình dạng đường hàn đẹp.
Các hỗn hợp khí hai thành phần, chẳng hạn như Ar/CO2, có thể hoạt động hiệu quả trong hầu hết các ứng dụng hàn thép cacbon và thép không gỉ mà trong đó bạn sử dụng phương thức chuyển dịch phun truyền thống hoặc phun có xung.
Hàm lượng CO2 thấp hơn sẽ giúp giảm lượng khói hàn được tạo ra. Trong trường hợp muốn cải thiện hơn nữa hình thức bên ngoài của đường hàn, giảm bắn tóe và hạn chế việc phải làm sạch sau khi hàn, bạn có thể sử dụng các hỗn hợp khí ba thành phần để thu được kết quả tốt trong khi vẫn nâng cao được năng suất hàn.
Độ dày kim loại cơ bản, tư thế hàn, trình độ kỹ năng người thợ và các yêu cầu sản xuất đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng khi lựa chọn và tối ưu hóa qui trình hàn. Với sự hiểu biết đầy đủ về khí bảo vệ, bạn có thể tối ưu hóa qui trình hàn để giảm giá thành và nâng cao chất lượng.
(Nguồn: Theo The Fabricator).
