Hàn là quá trình chế tạo hoặc gia
công ghép nối các vật liệu, thường là kim loại hoặc nhựa dẻo chịu nhiệt, bằng
cách gây ra các phản ứng tổng hợp; do đó phân biệt với các kỹ thuật gia công
ghép nối kim loại ở nhiệt độ thấp hơn như hàn thau và hàn chì - chúng không làm
tan chảy kim loại. Ngoài việc làm tan chảy các kim loại cơ bản, một loại vật liệu
phụ thường được thêm vào hỗn hợp để tạo thành một bể vật liệu nóng chảy (bể
hàn), khi nguội đi sẽ tạo thành hợp chất mạnh như vật liệu cơ bản. Áp lực cũng
có thể được dùng kết hợp với nhiệt, hoặc dùng riêng, để tạo ra mối hàn.
Một số phương pháp hàn thông dụng
nhất, gồm:
-
Hàn hồ quang kim loại được che chắn (Shielded
metal arc welding - SMAW): còn gọi là hàn que hay hàn điện, sử dụng một điện cực
có chất trợ dung, chất bảo quản mối hàn, bao quanh nó. Người giữ điện cực sẽ giữ
lấy điện cực cho tới khi nó từ từ tan chảy hết. Xỉ bảo vệ mối hàn khỏi ô nhiễm
không khí.
-
Hàn hồ quang khí tungsten (Gas tungsten arc
welding – GTAW): còn được gọi là hàn TIG (Tungsten, khí trơ), sử dụng một điện
cực tungsten không bị hao mòn để tạo ra mối hàn. Khu vực hàn được bảo vệ khỏi ô
nhiễm không khí bằng một lớp khí trơ làm lá chắn như Argon hay Helium.
-
Hàn hồ quang kim loại bằng khí (Gas metal arc
welding – GMAW): còn gọi là MIG (Metal – kim loại, inert gas – khí trơ), sử dụng
một khẩu súng bắn dây để bắn dây với tốc độ điều chỉnh được, làm chảy ra lớp
khí bảo vệ (chủ yếu là argon hay hỗn hợp của argon và CO2) trên mối hàn để bảo
vệ nó khỏi ô nhiễm bởi không khí.
-
Hàn hồ quang có chất trợ dung làm lõi (Flux –
cored arc welding – FCAW): giống hệt hàn MIG ngoại trừ việc dùng một dây hình ống
đặc biệt chứa đầy chất trợ dung; có thể có hoặc không cần khí bảo vệ, phụ thuộc
chất độn.
-
Hàn hồ quang chìm (Submerged arc welding – SAW):
sử dụng một điện cực tự động tiêu hao và một lớp hạt trợ dung nóng chảy. Mối
hàn nóng chảy và vùng hồ quang được bảo vệ khỏi bị không khí nhiễm vào bằng
cách chìm dưới lớp trợ dung.
-
Hàn xỉ (Electroslag welding – ESW): qui trình
hàn đơn, hiệu suất cao, dùng cho các vật liệu dày từ 1 tới 12 inch (tức từ 25mm
tới 300 mm) theo vị trí thẳng đứng hoặc gần thẳng đứng).
Nhiều loại năng lượng khác nhau có
thể được dùng để hàn, từ khí gas, hồ quang điện, laser, chùm electron, ma sát
hay siêu âm. Trong qui trình công nghiệp thường thấy, hàn được thực hiện trong
nhiều môi trường khác nhau, từ ngoài trời, dưới nước tới trong vũ trụ. Hàn là một
công việc nguy hiểm và cần có các biện pháp phòng ngừa cần thiết để tránh cháy
nổ, bỏng, sốc điện, điện giật, tổn thương thị lực, hít phải khí độc và khói, tiếp
xúc với bức xạ tia cực tím cường độ cao.
Tới tận cuối thế kỷ 19, qui trình
hàn duy nhất chỉ là hàn rèn, đã được các thợ rèn sử dụng suốt nhiều thế kỷ qua
để ghép nối sắt và thép bằng cách nung nóng rồi dùng búa đập. Hàn hồ quang và
hàn khí là những qui trình đầu tiên được phát triển vào cuối thế kỷ 19, sau đó
tới hàn điện. Công nghệ hàn đã phát triển nhanh chóng trong những năm đầu thế kỷ
20 khi cuộc Chiến Tranh Thế giới lần I và II nổ ra, lái nhu cầu theo hướng tìm
các phương pháp ghép nối tin cậy và không tốn kém. Đi theo chiến tranh, một số
kỹ thuật hàn hiện đại đã được phát triển, gồm có các phương pháp thủ công như
SMAW, giờ là một trong những phương pháp hàn phổ biến nhất, ngoài ra còn có các
qui trình bán tự động và tự động như GMAW, SAW, FCAW và ESW. Sự phát triển tiếp
tục khi phát minh ra hàn bằng tia laser, hàn bằng chùm electron, hàn bằng xung
điện từ (magnetic pulse welding – MPW), và hàn bằng cách tạo ra ma sát ở nửa
sau của thế kỷ 20. Ngày nay, khoa học vẫn tiếp tục tạo ra những bước tiến mới.
Hàn bằng robot phổ biến trong công nghiệp, và các nhà nghiên cứu đang tiếp tục
phát triển các phương pháp hàn mới và thu được hiểu biết lớn hơn nhiều về chất
lượng hàn.
Lịch sử Ngành Hàn
Lịch sử của việc gắn các kim loại với
nhau đã có từ vài thiên niên kỷ trước. Được gọi là hàn rèn (forge welding), những
bằng chứng xa xưa nhất của nó tới từ thời kỳ đồ đồng và đồ sắt ở Châu Âu và
Trung Đông. Nhà sử học người Hy Lạp cổ đại Herodotus đã phát biểu trong tác phẩm
Cẩm
nang Lịch sử (The Histories) thế kỷ thứ 5 trước Công Nguyên rằng
Glaucus của Chios “là người đã một mình phát minh ra hàn sắt”. Hàn được dùng
trong xây dựng cây cột Sắt Delhi, dựng ở Delhi, Ấn Độ khoảng năm 310 sau Công
Nguyên, cây cột nặng 5.4 tấn.
Thời Trung Đại mang nhiều tiến bộ tới
cho hàn rèn, trong đó thợ rèn đập liên tục kim loại bị nung nóng cho đến khi sự
gắn kết xảy ra. Vào năm 1540, Vannoccio Biringuccio xuất bản cuốn De la
pirotechnia, trong đó mô tả lại các thao tác hàn rèn. Các thợ thủ công
lành nghề thời Phục Hưng đã bị giết hại trong thời gian này, ngành công nghiệp
này lại tiếp tục phát triển trong những thế kỷ sau đó.
Năm 1800, Sir Humphry Davy phát hiện
ra hồ quang điện xung ngắn và tuyên bố thành quả của mình vào năm 1801. Năm
1802, nhà khoa học người Nga Vasily Petrov đã tạo ra hồ quang điện liên tục,
sau đó kết quả được xuất bản trong cuốn “Tin tức về các thử nghiệm dòng điện –
điện áp” năm 1803, trong đó ông đã kể lại các thí nghiệm thực hiện năm 1802. Tầm
quan trọng lớn lao của thành công này là nó đã khai phá ra cách tạo tia hồ
quang ổn định liên tục và chỉ ra các ứng dụng trong thực tế, một trong số đó là
làm nóng chảy kim loại. Năm 1808, Davy, người vẫn không hề biết đến thành quả của
Petrov, đã tái phát hiện lại hồ quang điện liên tục. Năm 1881-82, các nhà phát
minh Nikolai Benardos (người Nga) và Stanislaw Olszewski (người Ba Lan) đã phát
minh ra phương pháp hàn dùng hồ quang điện đầu tiên, gọi là hàn hồ quang
carbon, vì sử dụng các điện cực carbon. Những tiến bộ trong hàn hồ quang tiếp tục
với việc phát minh ra các điện cực kim loại vào cuối những năm 1800 nhờ một người
Nga, Nikolai Slavyanov (1888) và một người Mỹ, C. L. Coffin (1890). Khoảng những
năm 1900, A.P. Strohmenger đã cho ra đời một loại điện cực tráng kim loại ở
Anh, nó tạo ra hồ quang ổn định hơn nhiều. Năm 1905, nhà khoa học người Nga
Vladimir Mitkevich đề xuất hàn bằng cách sử dụng hồ quang điện ba pha. Năm
1919, hàn bằng dòng điện xoay chiều đã được C.J. Holslag phát minh ra nhưng
không phổ biến cho đến thập kỷ sau đó.
Hàn điện trở cũng được phát triển
trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 19, những phát minh đầu tiên tới từ Elihu
Thomson năm 1885, người cũng tạo ra những phát minh chuyên sâu hơn 15 năm sau.
Hàn nhiệt nhôm được phát minh năm 1893, và trong khoảng thời gian này, một qui
trình khác, hàn bằng nhiên liệu oxy cũng được phát triển. Ban đầu, hàn bằng
nhiên liệu oxy là một trong những phương pháp hàn phổ biến nhất vì tính di dộng
và giá thành tương đối rẻ. Nhưng sang thế kỷ 20, nó không còn được các ngành
công nghiệp ưa chuộng. Nó nhanh chóng bị thay thế bởi hàn hồ quang, vì mạ kim
loại (còn gọi là chất trợ dung) cho điện cực giúp ổn định dòng hồ quang và bảo
vệ vật liệu cơ bản không bị nhiễm bẩn đã được phát triển.
Chiến Tranh Thế Giới thứ I đã gây
ra cơn biến động trọng đại trong ứng dụng các qui trình hàn, vì các thế lực
quân sự đang cố gắng xác định xem trong những phương pháp hàn mới, phương pháp
nào là tốt nhất. Người Anh chính thức sử dụng hàn hồ quang, thậm chí trong đóng
tàu, đã đóng vỏ tàu hoàn toàn bằng hàn. Hàn hồ quang thoạt tiên được ứng dụng
trong đóng phi cơ cho chiến tranh, vì thân máy bay Đức cũng được đóng như vậy.
Đáng kể nhất phải nói tới cây cầu được hàn đầu tiên trên thế giới, cầu
Maurzyce, được Stefan Bryla ở Đại Học Công Nghệ Lwów thiết kế năm 1927, để bắc
qua sông Sludwia gần Lowicz, Ba Lan, năm 1928.
Vào những năm 1920, những tiến bộ
chủ yếu trong công nghệ hàn, có hàn tự động năm 1920, trong đó dây điện cực được
nối liên tục. Khí bảo vệ trở thành chủ đề nhận được rất nhiều quan tâm, vì các
nhà khoa học cố gắng bảo vệ mối hàn khỏi tác động của oxy và nitor trong không
khí. Độ xốp và độ giòn là vấn đề trọng yếu, và các giải pháp được phát triển đều
sử dụng hydro, argon và helium khi hàn trong không khí. Trong những thập kỷ tiếp
theo, những tiến bộ xa hơn đã cho phép hàn cả những kim loại luôn phản ứng như
nhôm và ma giê. Kết hợp với sự phát triển của hàn tự động, dòng điện xoay chiều
và các chất trợ dung, hàn hồ quang đã không ngừng được sử dụng rộng rãi trong
những năm 1930 và sau đó trong Thế Chiến thứ II.
Tới giữa thế kỷ 20, nhiều phương
pháp hàn mới được phát minh. Năm 1930, hàn cấy chốt (stud welding) ra đời và
nhanh chóng phổ biến trong đóng tàu và xây dựng. Hàn hồ quang chìm (submerged
arc welding) được phát minh cùng năm đó và tiếp tục phổ biến tới ngày nay. Năm
1932, một người Nga tên là Konstantin Khrenov đã lần đầu tiên triển khai thành
công hàn hồ quang điện dưới nước (underwater electric arc welding). Hàn hồ
quang bằng khí tungsten sau nhiều thập kỷ phát triển, cuối cùng đã hoàn hảo vào
năm 1941, và sau đó đến hàn hồ quang kim loại bằng khí nối tiếp vào năm 1948,
cho phép hàn nhanh các vật liệu không phải kim loại màu nhưng đòi hỏi có các
khí bảo vệ rất đắt đỏ. Hàn hồ quang kim loại bảo vệ được phát triển vào những
năm 1950, sử dụng điện cực tráng chất trợ dung tiêu hao và nhanh chóng trở
thành qui trình hàn hồ quang kim loại phổ biến nhất. Năm 1957, qui trình hàn hồ
quang có dây lõi thuốc ra đời, trong đó điện cực gắn dây bảo vệ có thể dùng với
các thiết bị tự động, tạo ra tốc độ hàn nhanh đáng kể, và cùng năm đó, hàn hồ
quang plasma được phát minh. Hàn điện xỉ (electroslag welding) được giới thiệu
vào năm 1985, sau đó tới người họ hàng của nó, hàn điện khí (electrogas
welding), vào năm 1961. Năm 1953, nhà khoa học Sô viết N.F. Kazakov đề xuất
phương pháp hàn dính khuyếch tán (diffusion bonding).
Những tiến bộ khác của công nghệ
hàn còn có cú đột phá năm 1958 với hàn bằng chùm electron, tạo ra mối hàn sâu
và hẹp nhờ nguồn nhiệt tập trung. Sau đó tới phát minh laser năm 1960, hàn bằng
chùm tia laser cũng ra đời vài thập kỷ sau đó, và đã chứng minh cho thấy nó đặc
biệt hữu ích khi cần hàn tự động ở tốc độ cao. Hàn bằng xung điện từ (Magnetic
pulse welding – MPW) được sử dụng trong công nghiệp từ năm 1967. Hàn ma sát
(Friction stir welding) được Wayne Thomas phát minh năm 1991 tại học viện hàn
(The Welding Institute – TWI, nước Anh) và có ứng dụng phổ biến khắp thế giới vì
chất lượng cao. Cả bốn qui trình hàn mới này đều rất đắt đỏ do chi phí cao cho
các trang thiết bị tối thiểu và khả năng ứng dụng giới hạn.
Các Qui trình Hàn
Hồ quang
Các qui trình sử dụng nguồn điện
hàn nhằm tạo ra và duy trì dòng hồ quang điện giữa một điện cực và vật liệu cơ
bản để nung chảy các kim loại tại mối hàn. Có thể sử dụng nguồn điện một chiều
(DC) hoặc nguồn xoay chiều (AC), và các điện cực tiêu hao hoặc không tiêu hao.
Vùng hàn đôi khi được bảo vệ bằng một loại khí trơ hoặc khí bán trơ, còn gọi là
khí bảo vệ, và phụ liệu đôi khi cũng được sử dụng.
Nguồn điện
Để cấp nguồn điện cần thiết cho quá
trình hàn hồ quang, có vô số kiểu nguồn điện khác nhau có thể được sử dụng. Nguồn
cấp điện hàn phổ biến nhất là nguồn cấp dòng điện không đổi và nguồn cấp điện
áp không đổi. Trong hàn hồ quang, độ dài của hồ quang liên quan trực tiếp tới
điện áp, số lượng đầu vào nhiệt liên quan tới dòng điện. Nguồn cấp dòng điện
không đổi được dùng nhiều nhất cho hàn bằng tay, chẳng hạn như hàn hồ quang bằng
khí tungsten và hàn hồ quang kim loại bảo vệ, vì chúng duy trì được dòng điện
tương đối ổn định dù điện áp biến thiên. Điều này rất quan trọng vì trong hàn bằng
tay, rất khó giữ điện cực hoàn toàn ổn định, cho nên độ dài hồ quang và điện áp
có xu hướng thay đổi. Còn các nguồn cung điện áp không đổi giữ điện áp ổn định
và biến đổi dòng điện, kết quả là nó thường được dùng nhiều trong hàn tự động
như hàn hồ quang kim loại bằng khí, hàn hồ quang dây lõi thuốc, và hàn hồ quang
chìm. Ví dụ, nếu dây lõi và vật liệu cơ bản quá gần nhau, dòng điện sẽ nhanh
chóng tăng lên, điều đó làm nguồn nhiệt tăng lên và đầu dây bị nung chảy, biến
đổi nó thành một dạng khác biệt so với ban đầu.
Kiểu dòng điện sử dụng đóng vai trò
quan trọng trong hàn hồ quang. Các qui trình dùng điện cực tiêu hao như hàn hồ
quang kim loại bảo vệ và hàn hồ quang kim loại sử dụng khí nói chung thường
dùng dòng một chiều, nhưng điện cực có thể sạc cả chiều âm lẫn dương. Trong
hàn, anode được sạc dương sẽ có tập trung nhiệt lớn hơn, cho nên biến đổi cực của
điện cực có ảnh hưởng tới các thuộc tính của mối hàn. Nếu điện cực được sạc
dương, kim loại cơ bản sẽ nóng hơn, tăng khả năng xuyên thấu và tốc độ mối hàn.
Ngược lại, điện cực sạc âm sẽ khiến các mối hàn nông hơn. Các qui trình sử dụng
điện cực không tiêu hao, chẳng hạn như hàn khí tungsten, có thể sử dụng cả dòng
xoay chiều và dòng một chiều. Tuy nhiên, với dòng một chiều, vì điện cực chỉ tạo
hồ quang chứ không cung cấp phụ liệu, điện cực sạc dương sẽ khiến mối hàn nông,
trong khi điện cực sạc âm làm mối hàn sâu hơn. Dòng xoay chiều chuyển động rất
nhanh giữa hai kiểu này, cho ra các mối hàn có độ xuyên sâu trung bình. Một bất
lợi của dòng một chiều, thực tế hồ quang phải được làm cháy lại sau mỗi lần vượt
qua điểm không, cho nên nó phải đi kèm với một phát minh về các đơn vị nguồn đặc
biệt có thể tạo ra mẫu sóng hình vuông thay vì sóng hình sin thông thường, tạo
ra cách vượt qua điểm không nhanh chóng nhất có thể và tối thiểu hóa các tác động
của chuyện này.
Qui trình
Một trong những kiểu hàn hồ quang
phổ biến nhất là hàn hồ quang kim loại bảo vệ (SMAW); còn được gọi là hàn hồ
quang kim loại bằng tay (MMA) hay hàn que. Dòng điện được sử dụng để bật tia hồ
quang giữa vật liệu cơ bản và que điện cực tiêu hao – thường được làm bằng phụ
liệu (đặc biệt là thép) và phủ lớp chất trợ dung để bảo vệ vùng hàn khỏi bị ô
xy hóa và ô nhiễm do sinh ra khí carbon dioxide (CO2) trong quá trình hàn. Lõi
điện cực hoạt động như phụ liệu, tạo thành một vảy hàn riêng rẽ.
Qui trình rất linh hoạt và có thể
thực hiện với thiết bị không đắt lắm, phù hợp với các công việc trong cửa hàng
hay trên đồng ruộng. Người thao tác có thể làm tương đối hiệu quả với một vài
hướng dẫn đơn giản và thành thục qua trải nghiệm. Thời gian hàn tương đối chậm,
vì điện cực tiêu hao phải được thay thế thường xuyên và vì xỉ, sinh ra từ các
chất trợ dung, phải được lấy ra khỏi sau khi hàn. Hơn nữa, qui trình nói chung
bị hạn chế khi hàn các vật liệu kim loại màu, dù các điện cực đặc biệt khiến có
thể hàn được sắt hợp kim, nickel, nhôm, đồng và các kim loại khác.
Hàn hồ quang kim loại bằng khí
(GMAW), còn được gọi là hàn kim loại bằng khí trơ hay hàn MIG, là qui trình hàn
bán tự động hoặc tự động, sử dụng dây thuốc liên tục như điện cực và một khí
trơ hay hỗn hợp khí bán trơ bảo vệ mối hàn khỏi bị nhiễm bẩn. Vì điện cực được
cung liên tục, tốc độ hàn của hàn GMAW lớn hơn nhiều so với hàn SMAW.
Một qui trình khác, hàn hồ quang bằng
dây lõi thuốc (FCAW), sử dụng các thiết bị tương tự như dây thuốc gồm một điện
cực thép quấn quanh bột phụ liệu. Dây lõi thuốc đắt hơn nhiều so với dây chuẩn
và có thể sinh ra khói và/hoặc xỉ, nhưng nó cho phép tốc độ hàn cao hơn nhiều
và khả năng xuyên qua kim loại lớn hơn.
Hàn hồ quang bằng khí tungsten
(GTAW) hay hàn bằng khí trơ tungsten (TIG), là một qui trình hàn bằng tay sử dụng
điện cực không tiêu hao tungsten, một khí trơ hay hỗn hợp khí bán trơ, và một
phụ liệu riêng. Đặc biệt hữu ích khi hàn vật liệu mỏng, phương pháp này đặc
trưng bởi dòng hồ quang ổn định và các mối hàn chất lượng cao, nhưng đòi hỏi kỹ
năng cao ở người thao tác và chỉ có thể được hoàn thành ở tốc độ tương đối thấp.
GTAW có thể dùng cho tất cả các loại
kim loại có thể hàn được, dù nó thường dùng cho thép không gỉ và các kim loại
sáng. Nó thường được dùng khi chất lượng mối hàn có yêu cầu cực kỳ quang trọng,
chẳng hạn như trong xe đạp, máy bay và các ứng dụng hàng hải. Một qui trình
tương tự, hàn hồ quang bằng plasma, cũng dùng điện cực tungsten nhưng dùng khí plasma
tạo ra hồ quang. Hồ quang được tập trung nhiều hơn hàn hồ quang GTAW, làm cho
việc điều khiển quan trọng hơn và do đó hạn chế về mặt kỹ thuật với các qui
trình được cơ khí hóa. Do dòng điện ổn định, phương pháp này có thể được dùng
cho một dải rộng các vật liệu dầy hơn so với GTAW và nó cũng nhanh hơn nhiều.
Nó có thể dùng cho tất cả các loại vật liệu như GTAW trừ magie, và hàn thép
không gỉ tự động là một ứng dụng quang trọng của nó. Một biến tướng khác của kiểu
hàn này là cắt plasma, một qui trình cắt thép hiệu quả.
Hàn hồ quang chìm (SAW) là phương
pháp hàn hiệu suất cao trong đó hồ quang được hình thành và cháy dưới lớp thuốc
bảo vệ. Phương pháp này tăng chất lượng hồ quang, vì các chất gây ô nhiễm trong
không khí bị chặn bởi lớp thuốc. Xỉ tạo thành từ mối hàn cũng bị loại ra, kết hợp
với sử dụng dây thuốc liên tục, tỷ lệ đắp rất cao. Các điều kiện làm việc đã được
cải thiện nhiều so với các qui trình hàn hồ quang khác, vì lớp thuốc đã dấu đi
hồ quang và hầu như không sinh ra khói. Qui trình này nói chung hay được dùng
trong công nghiệp, đặc biệt trong các sản phẩm lớn và trong sản xuất các bình
áp lực.
Các qui trình hàn hồ quang khác còn
có hàn bằng nguyên tử khí hydro, hàn điện xỉ, hàn điện khí, và hàn cấy bu lông
(stud arc welding).
Hàn khí
Qui trình hàn khí phổ biến nhất là
hàn bằng nguyên liệu ô xy, còn được gọi là hàn oxyacetylene. Đó là một trong những
qui trình hàn linh hoạt nhất và lâu đời nhất, nhưng trong những năm gần đây nó
ít còn phổ biến trong công nghiệp. Nó vẫn được sử dụng rộng rãi để hàn ống dẫn
hay các công việc sửa chữa.
Thiết bị không đắt và đơn giản, nói
chung chỉ cần đốt cháy acetylene trong oxy sẽ tạo ra ngọn lửa hàn có nhiệt độ
khoảng 3100oC. Ngọn lửa – vì nó ít tập trung hơn hồ quang điện, nên
khiến mối hàn nguội chậm hơn, dẫn tới các áp lực dư và biến dạng mối hàn, dù
khiến việc hàn thép hợp kim cao dễ dàng hơn. Một qui trình tương tự, gọi là cắt
bằng nhiên liệu oxy, dùng để cắt kim loại.
Điện trở
Hàn điện trở (residence welding) chứa
bộ phát nhiệt nhờ dòng điện đi qua điện trở gây ra do tương tác giữa hai hay
nhiều thiết diện kim loại. Những vùng kim loại nóng chảy nhỏ được tạo thành tại
khu vực hàn khi dòng điện lớn (1000-100,000 A) đi qua kim loại. Nói chung, hàn
điện trở hiệu quả và ít gây ô nhiễm, nhưng ứng dụng của nó khá hạn chế và chi
phí thiết bị khá cao.
Hàn điểm (spot welding) là phương
pháp hàn điện trở phổ biến dùng để gắn chồng các miếng kim loại dày trên 3mm.
Hai điện cực đồng thời được sử dụng để kẹp các miếng kim loại với nhau và cho
dòng điện chạy qua chúng. Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng năng lượng hiệu
quả, hạn chế biến dạng thành phẩm, tỷ suất sản phẩm cao, dễ tự động hóa, không
cần phụ liệu. Độ mạnh của mối hàn thấp hơn rõ rệt so với các phương pháp hàn
khác, khiến cho qui trình này chỉ phù hợp với vài ứng dụng nhất định. Nó được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp tự động hóa – các ô tô thông thường đều có vài
nghìn mối hàn điểm do các robot công nghiệp thực hiện. Một qui trình chuyên môn
hóa, gọi là shot welding (hàn bắn), dùng để hàn điểm cho thép không gỉ.
Giống hàn điểm, hàn vá (seam
welding) dùng hai điện cực để đưa áp lực và dòng điện ghép nối các tấm kim loại.
Tuy nhiên, thay cho các điện cực thông dụng, các điện cực hình bánh xe sẽ cuộn
dọc theo thành phẩm và thường xuyên đắp cho thành phẩm, làm cho các mối hàn
liên tục được lâu hơn. Trong quá khứ, qui trình này dùng cho sản xuất các thùng
nước ngọt và đồ uống, nhưng giờ được dùng hạn chế hơn nhiều.
Các phương pháp hàn điện trở khác gồm
có hàn giáp mối (butt welding), hàn điện trở tiếp xúc nóng chảy (flash
welding), hàn điểm lồi (projection welding) và hàn ép chồn (upset welding).
Chùm năng lượng
Các phương pháp hàn dùng chùm năng
lượng, hay chính là hàn sử dụng chùm laser và chùm electron là những phương
pháp tương đối mới nhưng khá phổ biến trong các ứng dụng hiệu suất cao. Hai qui
trình này tương tự nhau, chỉ khác về nguồn năng lượng. Hàn dùng chùm tia laser
sử dụng một chùm laser tập trung mật độ cao, còn hàn dùng chùm electron thực hiện
trong chân không và sử dụng một chùm electron. Cả hai phương pháp đều có mật độ
năng lượng rất cao, tạo ra khả năng xuyên thấu mối hàn rất sâu và tối thiểu hóa
kích thước vùng hàn. Hai phương pháp đều cực kỳ nhanh, dễ tự động hóa, hiệu suất
cao. Bất lợi chính của chúng là chi phí thiết bị rất cao (dù chúng đang giảm dần)
và nhạy cảm với nứt nhiệt. Những tiến bộ trong lĩnh vực này còn có hàn laser hỗn
hợp (laser hybrid welding), sử dụng nguyên lý chính từ hàn bằng chùm laser và
hàn hồ quang để tạo ra các mối hàn có tính chất tốt hơn, hàn ốp laser (laser
cladding) và hàn bằng tia x (x-ray welding).
Trạng thái rắn
Giống phương pháp hàn đầu tiên của
loài người, hàn rèn, một vài phương pháp hàn hiện đại cũng không cần phải làm
nóng chảy các vật liệu cần gắn lại với nhau. Một trong những phương pháp phổ biến
nhất, hàn bằng siêu âm (ultrasonic welding), dùng để nối các tấm mỏng hay các sợi
dây bằng kim loại hay nhựa dẻo bằng cách rung chúng ở tần số cao và dưới áp suất
cao. Thiết bị và phương pháp cũng tương tự hàn điện trở, nhưng thay cho dòng điện,
việc rung đó cung cấp năng lượng. Kim loại hàn trong qui trình này không bị
nóng chảy, thay vào đó, mối hàn được tạo nên nhờ các rung động cơ khí dưới áp
suất cao. Khi hàn nhựa, vật liệu nên có nhiệt độ nóng chảy tương tự nhau, và bộ
rung nên đặt dọc. Hàn siêu âm nói chung dùng để tạo các liên kết điện, trừ với
nhôm và đồng, nó cũng là phương pháp hàn polymer rất phổ biến.
Một qui trình hàn phổ biến khác,
hàn nổ (explosion welding), là việc ghép các vật liệu nhờ đẩy chúng lại với
nhau dưới áp suất cực cao. Năng lương từ tác động đó sẽ làm dẻo các vật liệu, tạo
ra một mối hàn, thậm chí một nhiệt lượng nhất định cũng được sinh ra. Qui trình
này được dùng phổ biến để hàn các vật liệu không tương tự, như hàn nhôm với
thép trong vỏ tàu hay các tấm hợp kim.
Các qui trình hàn trong trạng thái
rắn khác còn có hàn ma sát (friction welding), hàn bằng từ trường (magnetic
pulse welding), hàn phun (co-extrusion welding), hàn nguội (cold welding), hàn
dính khuyếch tán (diffusion bonding), hàn phái nhiệt (exothermic welding), hàn
cao tần (high frequency welding), hàn áp lực nóng (hot pressure welding), hàn cảm
ứng (induction welding), và hàn cuộn (roll welding).
Hình học
Các mối hàn được định hình về mặt
hình học rất khác nhau. Có 5 kiểu mối ghép hàn cơ bản là mối ghép giáp môi
(butt joint), mối ghép xếp chồng (lap joint), mối ghép góc (corner joint), mối
ghép cạnh (edge joint) và mối ghép chữ T (T-Joint) (một biến thể gần của nó là
mối ghép chữ thập). Các biến thể khác cũng tồn tại – chẳng hạn, mối ghép chữ V
kép đặc trưng bằng hai khối vật liệu mỗi cái tạo hình nón hướng vào một điểm ở
tâm bằng nửa độ cao của chúng. Các mối ghép chữ U đơn và chữ U kép cũng khá phổ
biến – thay vì các cạnh phải thẳng như mối ghép chữ V đơn và chữ V kép – chúng lại
bị uốn cong, tạo thành hình chữ U. Các mối ghép hình xếp chồng cũng phổ biến
hơn cả hai chữ kia – phụ thuộc qui trình sử dụng và độ dày của vật liệu, nhiều
mảnh có thể được hàn lại với nhau tạo thành hình xếp chồng.
(1) mối ghép giáp môi (2) mối ghép giáp môi chữ V
(3) mối ghép xếp chồng (4) mối ghép chữ T
Nhiều qui trình hàn đòi hỏi phải có
thiết kế mối ghép riêng; ví dụ, hàn điểm điện trở, hàn bằng chùm laser, và hàn
bằng chùm electron thường tạo các mối ghép xếp chồng. Các phương pháp hàn khác,
như hàn hồ quang kim loại bảo vệ, cực kỳ linh động và có thể dùng với mọi kiểu
mối ghép. Một vài qui trình cũng dùng để tạo ra nhiều kiểu mối hàn, trong đó một
mối hàn được phép làm nguội, còn một mối hàn khác thực hiện ngay trên bề mặt
nó. Điều này cho phép hàn những phần mỏng tạo thành mối ghép chữ V đơn chẳng hạn.
Đi theo với hàn, một số vùng khác
cũng có thể bị xác định là vùng hàn. Mối hàn – bản thân nó được gọi là khu liên
hợp – đặc biệt hơn, đó là nơi kim loại phụ nằm đó trong suốt quá trình hàn. Các
thuộc tính của khu liên hợp phụ thuộc chủ yếu vào kim loại phụ được dùng, và sự
tương thích của nó với các vật liệu cơ bản. Nó được bao quanh bởi vùng chịu tác
động nhiệt, vùng mà siêu cấu trúc và thuộc tính của nó thay đổi theo mối hàn.
Những thuộc tính này phụ thuộc bản chất của vật liệu cơ bản khi chịu nhiệt. Kim
loại trong vùng này thường yếu hơn cả kim loại cơ bản và khu liên hợp, và cũng
là nơi thường xảy ra dư lực.
Chất lượng
Rất nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng
đến độ mạnh của các mối hàn và vật liệu bao quanh chúng, gồm có phương pháp
hàn, số lượng và mức độ tập trung của đầu vào năng lượng, khả năng hàn của vật
liệu cơ bản, phụ liệu, chất trợ dung, thiết kế mối ghép, và tương tác giữa tất
cả các yếu tố đó. Để kiểm tra chất lượng của một mối hàn, có các phương pháp kiểm
tra phá hủy và không phá hủy được dùng phổ biến để biết mối hàn có lỗi không,
có ở mức độ chấp nhận được các dư lực và biến dạng không, có các thuộc tính chấp
nhận được của vùng chịu nhiệt không. Các loại lỗi hàn thường là vỡ, biến dạng,
có chứa khí (độ xốp), có chứa chất phi kim, thiếu liên kết, không xuyên thấu
hoàn toàn, rách, hay bị lở.
Ngành công nghiệp luyện kim đã tạo
ra các tiêu chí, đặc tả và yêu cầu kỹ thuật để hướng dẫn thợ hàn, thợ kiểm tra
mối hàn, kỹ sư, nhà quản lý và ông chủ về kỹ thuật hàn, thiết kế các mối hàn,
làm sao đánh giá chất lượng của một qui trình hàn (Welding Procedure
Specification), làm sao đánh giá trình độ của người thao tác hàn, làm sao đảm bảo
chất lượng của công việc hàn. Các phương pháp như kiểm tra bằng quan sát
(visual inspection), chiếu điện (radiography), kiểm tra bằng siêu âm
(ultrasonic testing), siêu âm theo pha (phased-array ultrasonics), kiểm tra bằng
nhuộm thẩm thấu (dye penetrant inspection),kiểm tra hạt từ tính (magnetic
particle inspection), hay chụp cắt lớp vi tính công nghiệp (industrial computed
tomography) có thể giúp phát hiện và phân tích các lỗi trên.
Vùng chịu nhiệt (Heat affected zone – HAZ)
Tác động của việc hàn lên vật liệu
xung quanh mối hàn có thể có hại – phụ thuộc vật liệu được sử dụng và đầu vào
nhiệt của quá trình hàn, HAZ có thể biến thiên cả kích thước và độ mạnh. Khả
năng dẫn nhiệt của vật liệu cơ bản đóng vai trò lớn – nếu khả năng dẫn nhiệt lớn,
tốc độ làm nguội của nó sẽ cao và HAZ tương đối nhỏ. Ngược lại, khả năng dẫn
nhiệt thấp dẫn tới làm nguội chậm hơn và vùng HAZ lớn hơn. Nhiệt lượng sinh ra
từ quá trình hàn cũng đóng một vai trò quan trọng, chẳng hạn hàn bằng khí
oxyacetylene có một đầu vào nhiệt không tập trung và sẽ tăng kích thước vùng
HAZ. Qui trình như hàn bằng chùm laser có độ tập trung cao, số nguồn nhiệt hạn
chế, sẽ làm vùng HAZ nhỏ. Hàn hồ quang rơi vào giữa hai loại thái cực trên, vì
các qui trình của nó đều biến thiên số đầu vào nhiệt. Để tính toán đầu vào nhiệt
cho hàn hồ quang, có thể dùng công thức sau:
Trong đó Q = đầu vào nhiệt (kJ/mm),
V=điện áp (V), I=dòng điện (A) và S=tốc độ hàn (mm/phút). Hiệu suất phụ thuộc
và qui trình hàn được dùng, với hàn hồ quang kim loại bảo vệ, giá trị của nó là
0.75; hàn hồ quang kim loại bằng khí và hàn hồ quang chìm, bằng 0.9; và hàn hồ
quang bằng khí tungsten, bằng 0.8.
Kéo dài tuổi thọ bằng các phương pháp hậu điều trị
Độ bền và tuổi thọ của các cấu trúc
thép chịu tải động được hàn sẽ bị quyết định bởi tình trạng mối hàn, đặc biệt
là quá trình chuyển đổi của mối hàn. Thông qua phương pháp điều trị lựa chọn
cho quá trình chuyển đổi này, như mài (cắt mòn – grinding hay abrasive cutting),
đập nhanh (shot peening), điều trị tác động cao tần (high frequency impact
treatment)…, độ bền của nhiều thiết kế đã tăng lên rõ rệt.
Luyện kim
Hầu hết các chất rắn dùng để gia
công vật liệu đều chứa các tinh thể rắn trong đó nguyên tử hay ion của nó được
xắp sếp theo một mẫu hình học lặp đi lặp lại gọi là cấu trúc mạng (lattice).
Ngoại lệ duy nhất là vật liệu được làm từ thủy tinh, một sự kết hợp giữa chất lỏng
siêu nguội và các polymer tổng hợp từ một lượng lớn các phân tử sinh vật.
Sự liên kết của các tinh thể rắn đạt
được nhờ liên kết kim loại hay liên kết hóa học tạo thành từ các nguyên tử
thành phần. Liên kết hóa học có thể nhóm thành hai loại: ion và cộng hóa trị. Để
tạo thành một liên kết ion, electron hóa trị hay electron liên kết tách khỏi
nguyên tử và bị hút về nguyên tử khác để tạo thành các ion trái dấu. Liên kết ổn
định khi các ion chiếm vị trí cân bằng để lực liên kết giữa chúng bằng 0. Khi
các ion thoát khỏi lực kéo, khoảng cách giữa các ion liên kết tăng lên tạo
thành lực hút điện tử, trong khi lực đẩy chịu tác dụng của lực nén giữa hạt
nhân nguyên tử đang chiếm ưu thế.
Liên kết cộng hóa trị xuất hiện khi
một trong các nguyên tử thành phần bị mất một hay nhiều electron, còn nguyên tử
khác lại thu được electron, kết quả tạo ra một đám mây electron trong phân tử.
Trong cả liên kết ion và liên kết cộng hóa trị, vị trí các ion và electron đều
bị ràng buộc tương đối với nhau, do đó liên kết trở nên mỏng manh rất đặc
trưng.
Liên kết kim loại có thể phân loại
như kiểu liên kết cộng hóa trị, vì các nguyên tử thành phần có cùng kiểu và
không kết hợp với nhau tạo thành liên kết hóa học. Các nguyên tử mất electron tạo
thành một mảng ion dương. Các electron này nằm chung trong mạng khiến nhóm
electron trở nên linh động hơn, vì các electron được di chuyển tự do như các
ion. Vì thế nó khiến kim loại có độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện tương đối cao, và
được đặc trưng bởi tính chất có thể kéo dài được.
Ba cấu trúc mạng tinh thể phổ biến
nhất trong kim loại là lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác xếp
chặt. Thép hợp kim ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối và thép austenite,
kim loại màu như nhôm, đồng và nickel có cấu trúc lập phương tâm mặt.
Tính dễ kéo sợi là một yếu tố quan
trọng đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc, cho phép chúng chịu đựng các lực tập
trung mà không bị vỡ. Hơn nữa, các cấu trúc này đòi hỏi độ mạnh chấp nhận được,
liên quan đến độ dẻo của vật liệu. Nói chung, khi độ dẻo của vật liệu tăng, khả
năng nứt gãy sẽ giảm đi.
Việc giảm khả năng nứt gãy có lẽ
cũng tác động tới những ảnh hưởng xấu của tạp chất, hay đối với các kim loại lập
phương tâm khối, khi giảm nhiệt độ. Kim loại và đặc biệt là thép có dải nhiệt độ
chuyển tiếp, nếu trên dải này, kim loại sẽ có khả năng kéo dài chấp nhận được,
còn dưới dải này, vật liệu sẽ trở nên mỏng manh, dễ vỡ. Trong dải này, thuộc
tính của vật liệu không thể tiên đoán được. Việc giảm khả năng nứt vỡ đi kèm
theo sự biến đổi khi xuất hiện vết nứt. Khi nằm trên quá trình chuyển tiếp, nứt
vỡ chủ yếu do liên kết micro-void, nó khiến trong vết nứt có sợi. Khi nhiệt độ
hạ xuống, vết nứt sẽ hiện ra các dấu hiệu của các bề mặt phân tách. Hai biểu hiện
đó đều có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Nứt vỡ giòn trong tấm thép có thể hiện
ra như các lằn chữ V dưới kính hiển vi. Chóp các đường như mũi tên đó trên bề mặt
vết nứt chỉ về nguồn của vết nứt.
Độ nứt vỡ được đo nhờ sử dụng một mẫu
bằng cái răng hoặc một mẫu hình chữ nhật trước khi bị nứt, trong đó các chiều đều
được qui chuẩn, vì dụ ASTM E23. Một cách khác để ước lượng và đo đạc độ nứt vỡ như
sau: kiểm thử hiệu ứng Charpy trên ASTM A370, kiểm thử CTOD cho BS 7448-1, test
J trên ASTM E1820; test Pellini drop weight trên ASTM E208.
Điều kiện bất thường
Trong khi nhiều ứng dụng hàn được
làm trong môi trường quản lý được như trong các nhà máy hay xưởng sửa chữa, vài
qui trình hàn lại dùng phổ biến trong một dải rộng điều kiện, như ngoài trời,
dưới nước, trong chân không. Trong các ứng dụng ngoài trời, như xây dựng hay sửa
chữa ngoài trời, hàn hồ quang kim loại bảo vệ được dùng nhiều nhất. Các qui
trình hàn dùng khí trơ bảo vệ mối hàn không dùng được trong những tình huống
này, vì biến đổi khí hậu không dự đoán được có thể làm mối hàn có lỗi. Hàn hồ
quang kim loại bảo vệ cũng thường dùng dưới nước trong xây dựng và sửa chữa tàu
thuyền, các công trình ngầm, đường ống, còn các loại hàn khác, như hàn hồ quang
dây lõi thuốc và hàn hồ quang bằng khí tungsten, cũng phổ biến. Hàn trong vũ trụ
cũng khả thi – lần đầu tiên thực hiện năm 1969 bởi các nhà du hành người Nga,
khi họ thử nghiệm kiểm tra hàn hồ quang kim loại bảo vệ, hàn hồ quang plasma,
và hàn bằng chùm electron trong môi trường không trọng lực. Thí nghiệm sâu hơn
được tiến hành vào những thập kỉ sau đó, và ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp
tục phát triển các phương pháp sử dụng các qui trình hàn khác trong vũ trụ, như
hàn bằng chùm laser, hàn điện trở, hàn ma sát. Các tiến bộ trong lĩnh vực này
có thể hữu ích trong tương lai khi xây dựng Trạm Vũ Trụ Quôc Tế (ISS), trạm này
phụ thuộc vào việc hàn trong không gian để ghép nối các bộ phận đã được sản xuất
từ Trái Đất.
Vấn đề an toàn
Hàn có thể nguy hiểm và có hại cho
sức khỏe nếu các biện pháp phòng ngừa phù hợp không được trang bị. Tuy nhiên, sử
dung công nghệ mới và bảo hộ phù hợp sẽ giảm rủi ro rất nhiều việc bị thương
hay chết người do hàn gây ra. Vì nhiều phương pháp hàn phổ biến đều có hồ quang
điện hay tia lửa điện, rủi ro cháy nổ rất cao; đó là tại sao lại phân loại nghề
này vào nhóm nghề dễ cháy. Để chăn ngừa bị thương, các thợ hàn mặc trang phục bảo
hộ cá nhân có găng tay da nặng và jacket bảo hộ dài để tránh nổ khi nguồn nhiệt
hay lửa hàn quá nóng. Hơn nữa, độ sáng của vùng hàn cũng dẫn tới một tình trạng
gọi là mắt hồ quang hay bỏng flash, trong đó tia cực tím gây ra viêm giác mạc
và có thể đốt cháy võng mạc của mắt. Kính bảo hộ và mũ hàn với phần kính che mặt
được lọc tia UV phải được đeo vào để tránh hiện tượng này. Từ những năm 2000,
vài loại mũ có kính che mặt được làm tối theo cường độ tia UV. Để bảo vệ người
ngoài cuộc, vùng hàn thường được che chắn bằng màn chắn sáng riêng cho hàn. Những
tấm màn này được làm bằng phim nhựa polyvinyl chloride, mọi người bên ngoài
vùng hàn sẽ được bảo vệ khỏi tia cực tím của hồ quang điện, nhưng không thể
thay thế được kính lọc trong các mũ hàn.
Thợ hàn thường hít phải khí độc và
những vấn đề đặc biệt. Các qui trình như hàn hồ quang dây lõi thuốc và hàn hồ
quang kim loại bảo vệ, khói thải ra chứa nhiều dạng oxit. Kích cỡ các hạt bị
nghi ngờ có thể ảnh hưởng tới độc tính của khói, hạt càng nhỏ thì nguy hiểm
càng lớn. Vì hạt càng nhỏ thì khả năng vượt qua hàng rào lọc máu càng lớn. Khói
và khí, như carbon dioxide, khỏi chứa kim loại nặng, có thể gây nguy hiểm cho
thợ hàn thiếu thông gió và đào tạo cơ bản. Ví dụ, tiếp xúc với khói hàn chứa
mangan, dù chỉ ở mức độ thấp (<0.2mg/m3), cũng có thể dẫn đến các
vấn đề về thần kinh hoặc gây nguy hiểm tới phổi, gan, thận và hệ thần kinh
trung ương. Các hạt nano có thể bị kẹt trong các tế bào phế nang phổi. Sử dụng
khí nén và lửa trong nhiều qui trình hàn có thể gây nổ hay rủi ro hỏa hoạn. Một
số biện pháp phòng ngừa như giới hạn lượng oxy trong không khí, để vật liệu dễ
cháy ra khỏi nơi làm việc.
Chi phí và xu hướng
Là một qui trình công nghiệp, chi
phí hàn đóng vai trò then chốt trong các quyết định sản xuất. Rất nhiều biến số
ảnh hưởng tới tổng giá thành, gồm chi phí trang thiết bị, chi phí nhân công,
chi phí vật liệu, chi phí năng lượng. Phụ thuộc vào qui trình, chi phí thiết bị
có thể biến đổi, từ không đắt lắm như hàn hồ quang kim loại bảo vệ và hàn oxy tới
cực kỳ đắt đỏ như hàn bằng tia laser hay hàn bằng chùm electron. Do giá thành
cao, chúng chỉ được dùng trong hoạt động sản xuất hiệu năng cao. Tương tự, vì tự
động hóa và robot cũng làm tăng chi phí, nên những cái này cũng chỉ được sử dụng
trong sản xuất hiệu quả cao khi cần. Chi phí nhân công phụ thuộc vào tỷ lệ lắng
(tỷ lệ hàn), mức lương theo giờ, và tổng thời gian thực hiện, gồm thời gian sắm
sửa chuẩn bị, hàn, và quản lý việc hàn. Chi phí nguyên liệu gồm chi phí nguyên
liệu cơ bản và phụ liệu, chi phí cho khí bảo vệ. Cuối cùng, chi phí năng lượng
phụ thuộc thời gian hồ quang và yêu cầu năng lượng hàn.
Với các phương pháp hàn bằng tay,
chi phí nhân công nói chung chiếm phần lớn trong tổng chi phí. Kết quả là, nhiều
biện pháp tiết kiệm chi phí được tập trung để tối thiểu hóa thời gian thao tác.
Để làm điều đó, các bước hàn với tỷ lệ hàn cao sẽ được lựa chọn, các tham số
cho quá trình hàn được lọc cẩn thận để tăng tốc độ hàn. Cơ khí và tự động hóa
thường được áp dụng để giảm chi phí nhân công, nhưng thường nó lại làm tăng chi
phí trang thiết bị và tạo thêm thời gian cài đặt. Chi phí nguyên liệu thường có
xu hướng tăng khi các yêu cầu đặc biệt là cần thiết, và chi phí năng lượng thường
không vượt quá vài phần trăm tổng chi phí.
Trong những năm gần đây, để tối thiểu
hóa chi phí nhân công trong sản xuất cần hiệu suất cao, hàn công nghiệp đã tăng
dần tự động hóa, chủ yếu là sử dụng robot trong hàn điểm điện trở (đặc biệt
trong công nghiệp ô tô, tự động hóa) và hàn hồ quang. Trong hàn robot, các thiết
bị cơ khí hóa vừa giữ vật liệu và vừa thực hiện thao tác hàn. Ban đầu, hàn điểm
được ứng dụng rộng rãi nhất, nhưng rồi hàn hồ quang bằng robot tăng dần như một
tiến bộ công nghệ. Các lĩnh vực then chốt của nghiên cứu và phát triển như hàn
các vật liệu không tương tự (như thép với nhôm) và các qui trình hàn mới, như
hàn ma sát, xung từ trường, bằng nhiệt, bằng hỗn hợp laser. Hơn nữa, các tiến bộ
được mong chờ để tạo ra các phương pháp chuyên môn hóa cao độ như thực hành hàn
laser trong nhiều ứng dụng thực tế hơn, như trong công nghiệp hàng không và ô
tô. Các nhà nghiên cứu cũng hi vọng hiểu biết nhiều hơn về các thuộc tính vẫn
chưa tiên đoán trước được của mối hàn, đặc biệt cấu trúc siêu nhỏ của nó, trở
kháng, và xu hướng nứt vỡ hay phục hồi của mối hàn.
Xu hướng đẩy nhanh tốc độ hàn trong
công nghiệp lắp ráp kết cấu thép trở thành rủi ro cho tính toàn vẹn liên kết.
Không liên hệ rõ ràng với các vật liệu cơ bản mà thời gian hồ quang đã cung cấp
đủ cho mối hàn, người kiểm tra dự án sẽ không thể đảm bảo đường kính hiệu dụng
của vùng hàn, do đó anh ta/chị ta cũng không thể đảm bảo khả năng chịu tải trừ
khi họ phải được chứng kiến quá trình cài đặt thực sự. Phương pháp hàn thành
vũng phổ biến ở Mỹ và Canada khi gắn các tấm thép vào thanh dầm và các thành phần
thép kết cấu. Các cơ quan địa phương chịu trách nhiệm đảm bảo thiết lập hàn
vũng lên các vùng đang xây dựng bằng thép. Hiện nay không có chuẩn hay thủ tục
hàn nào đảm bảo khả năng giữ kết nối mà không ai chứng kiến, nhưng điều này
đang được Hiệp Hội Hàn Mỹ (American Welding Society) xem xét.
Hàn thủy tinh và hàn nhựa
Thủy tinh và một vài loại nhựa là
các vật liệu hàn phổ biến. Không giống kim loại có điểm nóng chảy xác định, thủy
tinh và nhựa có một dải nóng chảy, gọi là quá trình chuyển hóa thủy tinh. Khi cấp
nhiệt cho vật liệu rắn tới dải này, nó sẽ mềm hơn và có thể uốn được. Khi vượt
qua quá trình chuyển hóa thủy tinh, nó trở thành một chất lỏng rất dày, chậm chạp
và nhớt. Rõ ràng chất lỏng nhớt này có độ căng bề mặt rất nhỏ, trở nên dính như
mật, vì thế việc hàn trở nên đơn giản bằng cách đưa hai bề mặt bị nung nóng chảy
vào nhau. Hai chất lỏng nói chung sẽ trộn lẫn và gắn kết với nhau. Khi làm nguội
qua giai đoạn chuyển hóa thủy tinh, phần được hàn sẽ cô đặc lại thành vật rắn
thuộc kiểu vật liệu vô định hình.
Hàn thủy tinh
Hàn thủy tinh là thao tác thông thường
khi thổi thủy tinh. Nó sử dụng rất thường xuyên trong việc tạo ra thiết bị phát
sáng như đèn neon, đèn tube, các thiết bị khoa học, và sản xuất bát đĩa hay đồ
thủy tinh. Nó cũng được dùng trong quá trình đúc thủy tinh để ghép từng nửa
khuôn đúc, làm các mặt hàng như chai lọ. Hàn thủy tinh được thực hiện bằng cách
nung nóng thủy tinh qua giai đoạn chuyển hóa thủy tinh, biến nó thành chất lỏng
dày dặn và có thể tạo hình được. Việc nung nóng thường thực hiện bằng gas hoặc
khí oxy, hoặc dùng lò đốt, vì nhiệt độ làm nóng chảy thủy tinh thường khá cao.
Nhiệt độ này có thể biến thiên, phụ thuộc từng loại thủy tinh. Ví dụ, thủy tinh
chì biến thành chất lỏng có thể hàn được ở nhiệt độ khoảng 1600o F
(870oC), và chỉ cần hàn bằng ngọn lửa đơn giản. Nhưng thủy tinh thạch
anh (silica hợp nhất) phải được đun nóng tới trên 3000oF (1650oC),
nhưng sẽ nhanh chóng mất độ nhớt và khả năng định hình nếu quá nóng, vì thế phải
cần tới một ngọn lửa bằng oxy hydrogen. Đôi khi một ống có thể được gắn vào thủy
tinh, cho phép thổi nó thành nhiều hình dạng khác nhau, như bóng đèn, chai, ống.
Khi hai mẩu thủy tinh lỏng ép lại với nhau, chúng sẽ được hàn rất dễ dàng. Hàn
tay cầm lên một cái bình thường làm kiểu đó rất dễ dàng. Tuy nhiên, khi hàn một
ống vào một cái ống khác, kết hợp thổi và hút, ấn và đẩy được dùng để đảm bảo
không để lại dấu vết, tạo hình thủy tinh và giữ sức căng bề mặt sau khi đóng ống.
Đôi khi một thanh phụ có thể dùng tới, nhưng thường thì không cần.
Vì thủy tinh rất dễ vỡ trong trạng
thái rắn, nó thường dễ bị nứt khi đun nóng rồi làm nguội, đặc biệt nếu đun nóng
và làm nguội không đều. Đó là do độ giòn của thủy tinh không cho phép mở rộng dải
nhiệt không đồng đều. Thủy tinh đã được hàn cần được làm lạnh rất từ từ và qua
quá trình chuyển hóa thủy tinh, trong một qui trình gọi là ủ, để làm giảm bất kỳ
áp lực bên trong nào có thể tạo ra biến thiên nhiệt độ.
Có nhiều loại thủy tinh, và thường
hàn cùng loại. Các loại thủy tinh khác nhau thường có mức độ giãn nở nhiệt khác
nhau, có thể gây ra nứt vỡ lúc làm nguội khi chúng quá khác biệt. Ví dụ, thạch
anh có độ giãn nở nhiệt rất thấp, còn thủy tinh soda-lime có sự giãn nở nhiệt rất
cao. Khi hàn hai loại này với nhau, quan trọng là phải kết hợp chặt chẽ hệ số
gian nở nhiệt của chúng, để đảm bảo không xảy ra nứt. Một số loại thủy tinh
không trộn lẫn được với loại khác, vì vậy hàn giữa một vài loại là không thể.
Thủy tinh cũng có thể được hàn với
kim loại và gốm sứ, dù với kim loại, qui trình thường chỉ là bám dính vào bề mặt
kim loại chứ không phải là sự hòa trộn của hai chất liệu. Tuy nhiên, vài loại
thủy tinh nhất định sẽ chỉ gắn kết với vài kim loại nhất định. Ví dụ, thủy tinh
chì dễ dàng gắn với đồng hay thủy diên (molypden), nhưng không gắn vào nhôm. Điện
cực tungsten thường được dùng trong chiếu sáng nhưng sẽ không ghép vào thạch
anh, vì thế tungsten thường được đi kèm với thủy tinh borosilicate nóng chảy,
nó sẽ gắn kết cả tungsten và thạch anh. Tuy nhiên, phải cẩn thận để đảm bảo các
vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt tương đương để tránh nứt vỡ khi vật đã nguội và
khi nó bị đun nóng lại. Các hợp kim đặc biệt thường được dùng cho mục đích này,
chỉ cần đảm bảo hệ số giãn nỡ phù hợp, đôi khi phủ lớp kim loại mỏng cho một
kim loại để tạo ra sự liên kết tốt hơn với thủy tinh.
Hàn nhựa
Nhựa nói chung có hai loại, nhiệt rắn
(thermosets) và nhiệt dẻo (thermoplastics). Nhiệt rắn là nhựa trong đó phản ứng
hóa học sắp đặt các liên kết phân tử ngay sau lần đầu tiên hình thành nhựa, sau
đó liên kết không thể bị phá vỡ một lần nữa mà không làm giảm chất lượng nhựa.
Nhiệt rắn không thể bị nung nóng chảy, do đó, một khi nhiệt rắn đã được hình
thành, không thể hàn nó. Ví dụ về nhiệt rắn gồm: epoxy, silicon, cao su lưu
hóa, polyester và polyurethane.
Nhiệt dẻo, ngược lại, tạo thành chuỗi
phân tử dài, thường cuộn lại hoặc đan xen vào nhau, tạo thành một cấu trúc vô định
hình không có phạm vi độ dài hay trật tự tinh thể nào. Vài loại nhựa nhiệt dẻo
có thể hoàn toàn vô định hình, một số khác lại vô định hình cấu trúc hay tinh
thể một phần. Cả nhiệt dẻo vô định hình và bán tinh thể đều có quá trình chuyển
hóa thủy tinh, trên mức đó, có thể hàn được, nhưng bán tinh thể cũng có một điểm
nóng chảy xác định khi qua mức chuyển hóa. Trên điểm nóng chảy này, chất lỏng
nhớt sẽ thành chất lỏng chảy tự do (xem khả năng hàn lưu biến đối với nhựa nhiệt
dẻo). Ví dụ về nhựa nhiệt dẻo gồm có polyethylene, polypropylene, polystyrene,
polyvinyl chloride (PVC), và fluoroplastics như Teflon và Spectralon.
Hàn nhiệt dẻo cũng tương tự hàn thủy
tinh. Đầu tiên nhựa phải được làm sạch, sau đó nung nóng qua giai đoạn chuyển
tiếp thủy tinh, biến bề mặt hàn thành chất lỏng dày và nhớt. Hai bề mặt bị nung
nóng được ấn vào nhau, cho phép các phân tử kết hợp qua sự khuyếch tán phân tử,
ghép chúng thành một. Sau đó nhựa được làm nguội qua quá trình chuyển hóa thủy
tinh, cho phép mối hàn cô đặc lại. Một que phụ thường dùng cho một vài loại mối
ghép. Sự khác biệt chính của hàn thủy tinh và hàn nhựa là phương pháp nung nóng,
nhiệt độ nóng chảy của nhựa thấp hơn nhiều, thực tế nhựa sẽ bị đốt cháy nếu quá
nóng. Nhiều phương pháp khác nhau được đưa ra để làm nóng nhựa tới nhiệt độ có
thể hàn được mà không đốt cháy nó. Các lò hay thiết bị làm nóng bằng điện có thể
dùng để làm nóng chảy nhựa. Làm nóng bằng siêu âm, laser, hay ma sát cũng có thể
được dùng. Kim loại mang trở kháng có thể được cấy vào nhựa, nhằm đáp ứng nhiệt
cảm ứng. Vài loại nhựa bắt đầu bốc cháy tại nhiệt độ thấp hơn cả quá trình chuyển
hóa thủy tinh của nó, vì thế chỉ có thể hàn bằng cách thổi khí trơ nóng vào nhựa,
làm nó tan chảy, đồng thời bảo vệ nó khỏi oxy.
Nhiều loại nhựa nhiệt dẻo có thể
hàn bằng cách sử dụng dung môi hóa học. Khi được đặt tiếp xúc với nhựa, dung
môi sẽ bắt đầu làm mềm nó, biến bề mặt nó thành lớp chất lỏng dày. Khi hai bề mặt
chảy ra được ấn lại gần nhau, các phân tử trong hỗn hợp sẽ hòa trộn, gắn chúng
làm một. Vì dung môi có thể thâm nhập nhựa, dung môi bay hơi ra khỏi bề mặt nhựa,
khiến mối hàn chắc lại. Ứng dụng phổ biến của hàn bằng dung môi là ghép các ống
PVC hay ABS (acrylonitrile butadiene styrene) trong hệ thống ống nước, hoặc hàn
styrene và nhựa polystyrene trong xây dựng các mô hình. Hàn dung môi đặc biệt
hiệu quả đối với chất dẻo như PVC vì nó cháy ở nhiệt độ thấp hơn quá trình chuyển
hóa thủy tinh, nhưng không hiệu quả đối với vài loại nhựa như Teflon hay
polyethylene vì chúng có thể chống lại thủy phân hóa học.
Theo wikipedia
cuahangphamquang@gmail.com
http://cuahangphamquang.blogspot.com