Lựa chọn khí bảo vệ cho hàn hồ quang

Thợ hàn thường không để ý đến khí bảo vệ và ảnh hưởng của mỗi loại khí đến qui trình hàn. Khí hàn có thể ảnh hưởng đến phương thức chuyển dịch kim loại, thành phần hợp kim, hình dạng đường hàn, sự tạo khói và nhiều đặc tính khác của mối hàn.
Việc lựa chọn khí bảo vệ phù hợp cho các qui trình hàn hồ quang kim loại trong khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang lõi thuốc (FCAW) và hàn hồ quang điện cực vonfram trong khí bảo vệ (GTAW) có thể nâng cao đáng kể tốc độ hàn, chất lượng và tốc độ đắp của mối hàn (xem Bảng 1).

Khí tinh khiết
Khí tinh khiết được sử dụng để hàn bao gồm argon, heli và CO2. Các khí này có thể có cả ảnh hưởng tích cực và tiêu cực đến hồ quang hàn.
Argon. Argon là một khí đơn nguyên tử thường được sử dụng cho qui trình hàn GTAW trên tất cả các vật liệu và qui trình hàn GMAW trên các kim loại màu. Argon có tính trơ hóa học, nên nó phù hợp cho hàn các kim loại phản ứng và khó nóng chảy.
Khí này có tính dẫn nhiệt và điện thế i-ôn hóa thấp, là những tính chất dẫn đến sự truyền nhiệt thấp ra các khu vực bên ngoài vùng hồ quang. Đây là nguyên nhân hình thành một cột hồ quang hẹp, mà đến lượt mình cột hồ quang này tạo ra biên dạng thấu đặc trưng của khí argon tinh khiết là: sâu và tương đối hẹp (xem Hình 1).
Đường hàn sẽ hơi có xu hướng bị cắt ngầm hoặc cháy chân do thiếu nhiệt ở rìa ngoài của bể hàn trong cả qui trình GTAW và GMAW. Trong qui trình GMAW, khí argon tinh khiết hỗ trợ phương thức chuyển dịch phun.
Heli. Heli cũng là một khí trơ đơn nguyên tử, thường chủ yếu được sử dụng cho qui trình hàn GTAW trên các vật liệu màu. Khác với argon, heli có tính dẫn nhiệt và điện thế i-ôn hóa cao, là những tính chất đưa đến các hiệu ứng đối lập. Heli cho biên dạng đường hàn rộng, sự tạo ướt tốt ở rìa đường hàn và nhiệt lượng cao hơn argon.
Điện thế i-ôn hóa cao có thể gây khó khăn cho việc mồi hồ quang trừ khi mồi hồ quang bằng cao tần hoặc tụ điện đối với hàn GTAW. Lưu lượng khí cũng nên được điều chỉnh cao hơn đôi chút do khí heli có xu hướng nổi lên trên không khí. Khí heli tinh khiết hỗ trợ sự chuyển dịch cầu và hiếm khi được sử dụng cho hàn GMAW, trừ hàn đồng nguyên chất.
Carbon Dioxit (CO2). CO2 thường được sử dụng cho qui trình hàn GMAW chuyển dịch mạch ngắn và qui trình hàn FCAW. CO2 là một phân tử hợp chất với nhiều tương tác khá phức tạp bên trong cột hồ quang. CO2 sẽ phân ly thành CO và O2 ở các nhiệt độ xuất hiện trong hồ quang. Điều này tạo ra điện thế oxy hóa kim loại cơ bản và làm thay đổi thành phần hợp kim của vũng hàn hoặc đường hàn.
Sự tái hợp của CO và O2 tạo ra biên dạng thấu khá rộng trên bề mặt của mối hàn, trong khi điện thế i-ôn hóa và tính dẫn nhiệt thấp tạo ra một vùng nhiệt cao ở trung tâm của cột hồ quang. Điều này có xu hướng tạo ra biên dạng thấu cân đối giữa độ rộng và độ sâu của mối hàn. Trong các ứng dụng GMAW, khí CO2 tinh khiết không có khả năng tạo ra chuyển dịch phun, mà hỗ trợ chuyển dịch cầu, nên có thể dẫn đến sự bắn tóe rất lớn.

Các khí khác được sử dụng trong hỗn hợp
Oxy. Oxy là thành phần khí bảo vệ nhị nguyên tử hoạt tính thường được sử dụng trong các hỗn hợp khí hàn GMAW ở các nồng độ dưới 10%. Oxy có nhiệt lượng đến từ năng lượng i-ôn hóa và năng lượng phân ly (năng lượng giải phóng do quá trình tách phân tử thành hai nguyên tử riêng biệt trong hồ quang).
Oxy tạo ra biên dạng thấu rất rộng và khá nông, với nhiệt lượng cao tại bề mặt phôi. Do nhiệt lượng cao làm giảm sức căng bề mặt của kim loại nóng chảy, nên quá trình chuyển dịch phun cũng như sự làm ướt tại chân mối hàn sẽ diễn ra thuận lợi hơn. Các hỗn hợp khí oxy/argon có đặc điểm nổi bật là biên dạng thấu có hình “đầu đinh” khi hàn thép carbon bằng qui trình hàn GMAW, là ứng dụng hàn phổ biến nhất. Oxy cũng được sử dụng trong các hỗn hợp khí ba thành phần với CO2 và argon để phát huy ưu điểm tạo ướt và chuyển dịch phun.
Hydro. Hydro là một thành phần khí bảo vệ nhị nguyên tử, hoạt tính thường được sử dụng trong các hỗn hợp khí hàn ở các nồng độ dưới 10%.
Hydro chủ yếu được sử dụng với thép không gỉ Austenitic để tăng cường tẩy lớp oxide và tăng nhiệt lượng. Cũng giống như với các phân tử nhị nguyên tử, ta sẽ thu được đường hàn có bề mặt nóng hơn, rộng hơn. Hydro không phù hợp cho các loại thép Ferritic hoặc Martensitic do vấn đề nứt, rạn. Độ thấu mối hàn cũng tăng lên.
Hydro cũng có thể được sử dụng ở tỷ lệ phần trăm cao hơn (30 – 40%) trong hoạt động cắt plasma trên thép không gỉ để tăng khả năng cắt và giảm sỉ.
Nitơ. Nitơ là thành phần ít được thêm vào nhất cho mục đích bảo vệ. Nó chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ cho austenite và để cải thiện khả năng chống rỗ trên thép duplex và superduplex.
Các hỗn hợp khí hàn
Có nhiều hỗn hợp khí khác nhau được sử dụng cho hàn, tùy thuộc vào qui trình và vật liệu (xem Bảng 2).
GMAW, Thép carbon. Hầu hết các hỗn hợp khí thông dụng cho vật liệu này bao gồm argon/CO2, argon/O2, hoặc cả ba khí trộn với nhau.
Trong các hỗn hợp argon/CO2, hàm lượng CO2 dao động từ 5 – 25%. Các hỗn hợp chứa ít CO2 thường được sử dụng để tạo ra sự chuyển dịch phun trên các vật liệu nặng hoặc khi cần nhiệt lượng thấp và độ thấu nông đối với các vật liệu mỏng. Hàm lượng CO2 cao tăng cường sự chuyển dịch ngắn mạch, có thể làm tăng hiệu quả làm sạch và độ thấu sâu đối với các vật liệu dày (xem Hình 2). Tuy nhiên, tăng hàm lượng CO2 cũng đồng nghĩa với mức độ lấy đi các thành phần hợp kim tăng lên.
Trong các hỗn hợp argon/O2, tỷ lệ oxy thường vào khoảng 2-5%. Các khí này thường được sử dụng cho chuyển dịch phun trên các vật liệu khá sạch. Nhiều công ty thép kết cấu sử dụng các hỗn hợp argon/O2 do chúng cho phép hàn trên kim loại cơ bản đã bị oxy hóa nhẹ. Các hỗn hợp khí chứa oxy phải được đánh giá về khả năng lấy đi các thành phần hợp kim, đặc biệt là khi oxy có tỷ lệ cao.

Hình 1. Biên dạng thấu điển hình của khí argon tinh khiết là sâu và hẹp.

GMAW, Thép không gỉ. Các khí thông dụng nhất để hàn thép không gỉ là các hỗn hợp khí argon/O2 và heli/argon/CO2. Các khí trộn argon/O2 thường có hàm lượng oxy chiếm khoảng 2% và hỗ trợ tốt sự chuyển dịch phun, tuy nhiên có thể làm thay đổi màu mối hàn đôi chút.Hàm lượng O2 và CO2 của các hỗn hợp khí ba thành phần vào khoảng 2-8%. Các hỗn hợp khí loại này hoạt động tốt với cả kiểu chuyển dịch phun và chuyển dịch ngắn mạch và có thể được sử dụng trên nhiều độ dày khác nhau. Oxy có xu hướng hỗ trợ chuyển dịch phun ở các điện áp thấp, trong khi CO2 làm tăng độ thấu. Các hỗn hợp khí ba thành phần chứa argon, CO2 và O2 cho phép các chế độ chuyển dịch ngắn mạch và chuyển dịch phun ở các điện áp thấp hơn so với nhiều hỗn hợp hai thành phần argon/CO2.

Các hỗn hợp khí ba thành phần có hai loại chính: giàu argon và giàu heli. Các khí giàu heli (khoảng 90% là heli) được sử dụng để hỗ trợ sự chuyển dịch ngắn mạch và một lượng nhỏ argon để ổn định hồ quang cùng với một lượng rất nhỏ CO2 để tăng độ thấu và làm sạch. Các hỗn hợp giàu argon thường chứa khoảng 80% argon, khoảng 1-2% CO2 và còn lại là heli. Các hỗn hợp khí argon thường được sử dụng để hỗ trợ cho sự chuyển dịch phun, vì hàm lượng argon cao cho phép sự chuyển dịch phun diễn ra ở các điện áp tương đối thấp và heli cho sự tạo ướt tốt, biên dạng đường hàn phẳng và độ đồng nhất màu mối hàn tốt.
GMAW, Nhôm. Hàn GMAW Nhôm thường được tiến hành với khí argon tinh khiết, nhưng nếu gặp phải tiết diện lớn thì có thể bổ sung thêm heli với hàm lượng lên đến 75%. Heli cho phép khả năng làm ướt tốt hơn đáng kể so với argon tinh khiết và một vũng hàn lỏng hơn sẽ có nhiều thời gian hơn cho các tạp chất gây rỗ khí thoát ra. Nồng độ heli cao hơn đòi hỏi điện áp cao hơn đáng kể so với argon tinh khiết để đảm bảo sự chuyển dịch phun.
FCAW, Thép carbon và thép không gỉ. FCAW thường được tiến hành phổ biến nhất là với khí gồm 20-25% CO2 và phần còn lại là argon. Hỗn hợp khí này cho hiệu quả hồ quang tốt: CO2 hỗ trợ độ thấu và sự tạo xỉ tốt, trong khi argon có xu hướng làm giảm khói hàn. Đôi khi một phần CO2 được thay thế bởi heli để giảm khói hàn hơn nữa.
Sự lấy mất hợp kim không còn là vấn đề đáng lo ngại trong hàn FCAW bởi vì các thành phần hợp kim dễ bị ảnh hưởng của CO2 có thể được bù đắp bởi các thành phần trong thuốc hàn trong dây hàn.
GTAW, Thép không gỉ và Nhôm. Mặc dù argon tinh khiết được sử dụng cho hầu hết các qui trình hàn GTAW trên tất cả các vật liệu, một số hỗn hợp khí vẫn được thiết kế để hỗ trợ độ thấu và sự tạo ướt trên nhôm và thép không gỉ. Hầu hết các hỗn hợp khí này là các hỗn hợp argon/heli, với hàm lượng heli vào khoảng từ 10% đến 75%. Nhưng trong hàn GMAW, sự bổ sung heli này hỗ trợ cho sự tạo ướt trong các ứng dụng hàn nhôm và thép không gỉ tiết diện lớn mà trong đó sức cản của vũng hàn nóng chảy là rất lớn.
Đối với các thép không gỉ nhóm 300, các hỗn hợp khí thường chứa từ 2-5% hydro. Sự bổ sung này giúp cho mối hàn có hình thức đẹp hơn nhiều.
Các hệ thống cấp khí
Các hệ thống cấp khí bảo vệ có thể ảnh hưởng đến chất lượng khí được cấp theo nhiều cách khác nhau.
Các yêu cầu đối với cấp khí tinh khiết. Để cấp các khí tinh khiết, người ta thường sử dụng bốn phương pháp.

Bảng 2. Các qui trình và vật liệu khác nhau đòi hỏi sự kết hợp khác nhau giữa các khí bảo vệ.

Các chai khí nén thường dễ bị tạp nhiễm nhất do chúng được dùng hết và nạp lại thường xuyên. Một số nhà cung cấp khí sử dụng các van khóa chai khí có tích hợp van kiểm để hỗ trợ kiểm tra độ tinh khiết của khí. Ngoài ra, có nhiều phẩm cấp khí nén với các mức tạp chất đã được phân tích như chất ẩm, oxy, và tổng lượng các hydrocarbon (THC).
Các chai khí hóa lỏng thường cung cấp khí chất lượng tốt hơn do sản phẩm không được làm bay hơi, nén, và đóng gói lại. Bạn có thể xem thông tin phân tích chất lượng được cung cấp theo sản phẩm.
Cấp khí hóa hỏng qui mô lớn thường có độ tinh khiết cao nhất vì khí đi thẳng từ cơ sở sản xuất đến nơi tích chữ tại công trường của người sử dụng.
Hệ thống cấp khí trung tâm thường là loại lắp trên rơ-moóc hoặc có thể là trên mặt đất. Các bồn chứa sau khi dùng hết có thể được thay thế hoặc nạp tại chỗ.
Các yêu cầu đối với cấp khí trộn. Một số hỗn hợp khí thông dụng nhất được sử dụng cho hàn – argon/CO2, argon/O2, và argon/heli – có thể được cung cấp bởi các chai khí nén hoặc các hệ thống tích trữ. Phương thức cấp có thể từ các hệ thống lớn với đầy đủ các trang thiết bị từ bồn hóa lỏng đến các chai khí độc lập chứa hỗn hợp khí phù hợp.
Các khí được cung cấp từ các hệ thống cấp khí hóa lỏng qui mô lớn thường được trộn trong máy trộn công nghiệp để cung cấp hỗn hợp khí phù hợp. Các doanh nghiệp chế tạo qui mô nhỏ hơn thường dùng các chai khí hoặc hệ thống cấp khí trung tâm. Các thiết bị kiểm soát có thể được lắp đặt để tự động dừng và giảm nguy cơ tạp nhiễm khí.
Hệ thống đường ống. Chất lượng đường ống cấp khí từ điểm cấp đến vùng hồ quang có vai trò rất quan trọng trong việc duy trì độ tinh khiết của khí. Trong các ứng dụng GTAW trọng điểm, 20-30 phần triệu chất ẩm hoặc oxy có thể tạo ra mối hàn không đạt. Đối với ứng dụng loại này, ống thép không gỉ hàn là lý tưởng. Các đầu nối khí nén chất lượng cao cũng có thể được sử dụng và cho kết quả gần như tương đương.
Đối với các yêu cầu chất lượng bình thường, các ống đồng hàn bạc cho kết quả rất tốt, đặc biệt là khi hệ thống ống được sục khí nitơ khi hàn. Nhiều hệ thống đường ống bằng composit, thường có một lớp nhôm ở giữa hai lớp polyetylen (PE), có sẵn trên thị trường và rất dễ lắp đặt, với chất lượng cấp khí tốt. Hệ thống ống thép đen hàn có thể được sử dụng với điều kiện phải chú ý vệ sinh nòng ống kỹ lưỡng.

Hình 2. Biên dạng thấu của hỗn hợp khí argon/CO2 có thể được điều chỉnh bằng lượng khí CO2 trong hỗn hợp.

(Nguồn: Theo The Fabricator).