Các Loại Khí Trong Hàn Hợp Kim Và Cách Chọn Theo Từng Vật Liệu

Các loại khí trong hàn hợp kim thường gặp gồm Argon, Helium, CO₂, Oxygen, Hydrogen và Nitrogen. Mỗi loại có tác động khác nhau đến khả năng bảo vệ vũng hàn, độ ổn định hồ quang, nhiệt lượng, độ ngấu và thậm chí tổ chức luyện kim của mối hàn. Vì vậy, hàn nhôm, inox, duplex, nickel hay titanium không thể sử dụng một hỗn hợp khí chung. Tomoe Vietnam sẽ giúp bạn phân biệt từng loại và lựa chọn theo vật liệu cũng như phương pháp hàn thực tế.

Khí trong hàn hợp kim có vai trò gì?

Trong TIG, MIG/MAG và một số phương pháp hàn hồ quang khác, khí không chỉ có nhiệm vụ ngăn không khí tiếp xúc với kim loại nóng chảy. Thành phần khí có thể ảnh hưởng trực tiếp đến cách hồ quang hình thành, nhiệt truyền vào vật hàn và đặc tính của vũng kim loại.

Theo Linde, khí hàn có thể tác động tới khả năng mồi và ổn định hồ quang, truyền nhiệt, mức oxy hóa, tính chảy của kim loại nóng chảy và cả đặc tính luyện kim của một số hợp kim.

Những chức năng chính gồm:

• Bảo vệ hồ quang và vũng hàn khỏi không khí.

• Hạn chế hoặc điều chỉnh mức oxy hóa.

• Tác động đến khả năng mồi và độ ổn định hồ quang.

• Điều chỉnh lượng nhiệt truyền vào vật hàn.

• Ảnh hưởng độ ngấu và hình dạng mối hàn.

• Thay đổi khả năng wetting của kim loại nóng chảy.

• Tác động đến lượng spatter.

• Ảnh hưởng tới tổ chức luyện kim ở một số nhóm hợp kim.

ISO 14175:2008 hiện vẫn là tiêu chuẩn quốc tế dùng để phân loại khí bảo vệ, khí backing và khí quá trình theo đặc tính hóa học cũng như hành vi luyện kim. Phiên bản này được ISO rà soát và xác nhận lại năm 2023 nên vẫn còn hiệu lực.

Các loại khí chính dùng trong hàn hợp kim

Mỗi loại khí có ưu và nhược điểm riêng. Việc chọn sai có thể làm hồ quang kém ổn định, mối hàn oxy hóa hoặc ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

Khí Argon – khí nền phổ biến trong hàn hợp kim

Argon là khí hiếm có tính trơ hóa học cao và là thành phần nền của phần lớn hỗn hợp khí hàn.

Một số đặc điểm nổi bật:

• Dễ mồi hồ quang hơn helium.

• Hồ quang tương đối ổn định.

• Khả năng bao phủ vùng hàn tốt.

• Phù hợp với TIG.

• Là nền của nhiều hỗn hợp MIG/MAG.

• Có thể dùng làm shielding gas và backing gas.

Argon được sử dụng rộng với:

• Nhôm và hợp kim nhôm.

• Titanium.

• Nickel alloy.

• Inox.

• Đồng và nhiều hợp kim màu.

Đặc biệt với GMAW/MIG nhôm, Linde cho biết argon là loại khí được sử dụng chủ yếu do nhôm và các nguyên tố hợp kim của nó có tính phản ứng cao với oxygen.

Tuy nhiên, 100% Ar không phù hợp cho mọi vật liệu. Ví dụ, trong GMAW/MAG thép carbon với dây đặc, Linde lưu ý khí hoàn toàn trơ như Ar hoặc Ar–He thường không tạo được hồ quang ổn định như hỗn hợp có thành phần hoạt tính CO₂/O₂.

Khí Helium – tăng nhiệt và độ ngấu

Helium cũng là khí trơ nhưng có đặc tính hồ quang khác argon. He không làm tăng tính phản ứng hóa học của hỗn hợp, nhưng có thể thay đổi cân bằng năng lượng và truyền nhiệt trong hồ quang.

Khi bổ sung helium, quy trình có thể đạt:

• Heat input cao hơn.

• Penetration lớn hơn trong điều kiện phù hợp.

• Tốc độ hàn cao hơn.

• Khả năng xử lý tốt hơn với vật liệu dẫn nhiệt mạnh.

He hoặc Ar–He thường được cân nhắc khi hàn:

• Nhôm dày.

• Đồng.

• Nickel alloy.

• Một số hợp kim titanium.

• Inox dày trong hỗn hợp chuyên dụng.

Với nhôm, Linde cho biết He được dùng thay thế một phần Ar để tận dụng khả năng truyền nhiệt tốt hơn, từ đó hỗ trợ độ ngấu và tốc độ hàn.

Điểm hạn chế là helium thường khó mồi hơn, cần lưu lượng lớn hơn và chi phí cũng cao hơn Argon. Vì vậy, Ar–He thường thực tế hơn so với dùng 100% He.

Khí CO₂ – thành phần hoạt tính trong MAG

CO₂ khác Ar và He vì đây là khí hoạt tính trong môi trường hồ quang.

Khi đi vào vùng nhiệt cao, CO₂ phân ly và tái kết hợp, góp phần truyền nhiệt tới vật hàn. Tuy nhiên, nó đồng thời làm tăng quá trình oxy hóa của kim loại nóng chảy. Hàm lượng CO₂ vì vậy phải được lựa chọn theo vật liệu.

CO₂ thường phù hợp với:

• Carbon steel.

• Low-alloy steel.

• Một số quy trình FCAW.

• Stainless steel nhưng chỉ với hàm lượng được kiểm soát và phù hợp loại dây.

Với thép carbon, các hỗn hợp Ar–CO₂ được sử dụng rất rộng vì tạo sự cân bằng giữa độ ổn định hồ quang, penetration và chất lượng bề mặt.

Ngược lại, inox cần lượng CO₂ thấp hơn. Linde cho biết thành phần hoạt tính CO₂ hoặc O₂ trong GMAW/MAG stainless thường được giảm xuống khoảng 1–3% nhằm hạn chế oxy hóa và carbon pickup có thể ảnh hưởng khả năng chống ăn mòn. Một cấu hình điển hình hãng đưa ra là Ar + 2,5% CO₂.

Do đó, không nên lấy nguyên hỗn hợp Ar–CO₂ dùng cho thép carbon để áp dụng cho inox.

Oxygen – thành phần bổ sung ở tỷ lệ kiểm soát

Oxygen có thể được thêm với lượng nhỏ vào argon để điều chỉnh đặc tính hồ quang.

O₂ có thể giúp:

• Tăng ổn định hồ quang.

• Cải thiện wetting.

• Tạo bead profile đều hơn.

• Cải thiện độ chảy của vũng kim loại trong một số quá trình.

Tuy nhiên, O₂ là khí oxy hóa mạnh. Linde lưu ý nó phản ứng trực tiếp với bề mặt kim loại nóng hoặc nóng chảy, nên tỷ lệ phải được giới hạn tùy vật liệu.

Oxygen không phải khí bảo vệ dùng độc lập và đặc biệt không phù hợp cho những kim loại phản ứng cao như:

• Nhôm.

• Magie.

• Titanium.

Trong stainless GMAW/MAG, hỗn hợp Ar với lượng O₂ thấp có thể được sử dụng để cải thiện wetting và độ ổn định hồ quang.

Hydrogen – tăng truyền nhiệt trong một số hợp kim

Hydrogen có hai đặc tính đáng chú ý trong hàn: khả năng khử oxygen và truyền nhiệt tốt.

Khi được sử dụng đúng vật liệu, H₂ có thể:

• Hạn chế oxy hóa.

• Tăng năng lượng truyền tới vật hàn.

• Cải thiện tốc độ hàn.

• Tạo bề mặt sáng và sạch hơn.

Linde cho biết những lợi ích này đặc biệt phù hợp với một số stainless steel austenitic, nhưng nhiều vật liệu khác có thể gặp hydrogen embrittlement hoặc porosity.

Vì vậy, H₂ không phải thành phần có thể bổ sung tùy ý.

Một số ứng dụng có thể sử dụng hỗn hợp chứa H₂ gồm:

• TIG inox austenitic.

• Một số nickel alloy.

• Backing/purge gas phù hợp.

• Quy trình chuyên dụng đã được qualification.

Đối với nickel alloy, Linde cho biết một số hỗn hợp chuyên biệt có khoảng 2% H₂ nhằm giữ hồ quang định hướng tốt hơn và hỗ trợ bề mặt mối hàn sạch.

Nitrogen – tác động luyện kim ở một số loại inox

Nitrogen không được sử dụng rộng như Ar hay CO₂ vì nó có thể gây porosity hoặc tạo những pha không mong muốn trong nhiều hợp kim.

Tuy nhiên, N₂ lại có giá trị đặc biệt đối với một số:

• Austenitic stainless steel.

• Duplex stainless steel.

• Super duplex.

Nitrogen là nguyên tố ổn định austenite. Khi bổ sung đúng lượng trong khí bảo vệ hoặc backing gas, N₂ có thể hỗ trợ cân bằng ferrite/austenite và duy trì một số đặc tính chống ăn mòn của duplex weld.

Linde lưu ý nitrogen có thể cải thiện khả năng chống pitting khi dùng làm purge gas cho một số duplex steel, nhưng không phù hợp với những vật liệu nhạy với nitride formation như nhôm.

Do đó, N₂ cần được lựa chọn theo alloy grade và WPS thay vì coi là khí purge dùng chung.

Các hỗn hợp khí hàn phổ biến và tác dụng

Trong thực tế, một khí đơn lẻ thường không đáp ứng đồng thời mọi mục tiêu về ổn định hồ quang, nhiệt, wetting và metallurgy. Vì vậy, các hỗn hợp hai hoặc ba thành phần được sử dụng rộng rãi.

Linde phân loại GMAW dùng Ar, He và Ar–He cho nhôm cũng như các hợp kim phản ứng như titanium/nickel; với stainless và high-alloy steels, các hỗn hợp có khoảng 0,5–5% CO₂ hoặc 0,5–3% O₂ trong nền Ar/He thường được sử dụng tùy mục tiêu.

Các tỷ lệ này chỉ mang tính tham khảo theo từng nhóm khí, không phải công thức dùng chung cho mọi dây hàn hoặc hợp kim.

Hàn từng loại hợp kim nên dùng khí gì?

Loại hợp kim là một trong những yếu tố đầu tiên cần xác định trước khi chọn shielding gas.

Hợp kim nhôm

Nhôm phản ứng mạnh với oxygen và có khả năng dẫn nhiệt cao. Vì vậy, khí trơ thường được ưu tiên.

Các lựa chọn gồm:

• 100% Ar: phù hợp với phần lớn TIG/MIG nhôm.

• Ar–He: khi cần tăng nhiệt và độ ngấu.

• He: một số ứng dụng chuyên biệt.

Linde xác nhận Ar là lựa chọn chủ đạo cho GMAW nhôm, trong khi He có thể thay một phần Ar nhằm tăng truyền nhiệt, penetration và tốc độ hàn.

Nhôm không phù hợp với các hỗn hợp shielding gas chứa CO₂ hoặc O₂ theo cách thường dùng cho thép carbon.

Inox austenitic

Inox austenitic có nhiều lựa chọn khí hơn nhôm:

TIG:

• Ar.

• Ar–H₂ trong một số quy trình.

• Ar–He khi cần thêm nhiệt.

MIG/MAG:

• Ar + CO₂ thấp.

• Ar + O₂ thấp.

• Ar + He + CO₂/O₂.

Linde cho biết helium trong hỗn hợp GMAW stainless có thể tăng heat input, cải thiện wetting và hỗ trợ tăng travel speed, đặc biệt ở vật liệu dày.

Vấn đề quan trọng là kiểm soát thành phần hoạt tính để không làm tăng oxy hóa hoặc carbon pickup quá mức.

Duplex và super duplex stainless steel

Hàn duplex không chỉ cần tạo mối hàn đẹp mà còn phải kiểm soát cân bằng giữa ferrite và austenite.

Do đó, shielding và backing gas có thể được bổ sung N₂ theo một procedure được xác định trước nhằm:

• Hỗ trợ hình thành austenite.

• Kiểm soát tổ chức mối hàn.

• Duy trì khả năng chống ăn mòn.

• Hạn chế mất nitrogen trong quá trình hàn.

Linde ghi nhận tác động luyện kim của nitrogen đặc biệt hữu ích trong một số quy trình austenitic và duplex stainless steel.

Không nên đưa một tỷ lệ N₂ cố định cho toàn bộ duplex vì lựa chọn còn phụ thuộc alloy grade, filler, heat input và WPS/PQR.

Nickel và hợp kim nickel

Nickel alloy thường có vũng hàn tương đối “sluggish”, dễ gặp vấn đề wetting, lack of fusion hoặc porosity nếu lựa chọn khí không phù hợp.

Linde cho biết chỉ dùng pure Ar không phải lúc nào cũng giải quyết tốt vấn đề này. Các hỗn hợp chuyên dụng có thể sử dụng:

• He để cải thiện wetting.

• CO₂ ở mức rất thấp để ổn định quá trình.

• Khoảng 2% H₂ cho một số ứng dụng.

• N₂ cho một số high-temperature alloys.

Điều này cho thấy nickel alloy là nhóm vật liệu không nên chọn khí chỉ dựa trên nguyên tắc “cứ khí trơ là được”.

Titanium và hợp kim titanium

Titanium đặc biệt nhạy với oxygen, nitrogen và hydrogen khi ở nhiệt độ cao.

Vì vậy, các khí trơ được ưu tiên:

• Argon.

• Helium.

• Ar–He tùy quy trình.

Linde xếp titanium và nickel vào nhóm reactive alloys có thể sử dụng Ar, He hoặc Ar–He trong GMAW/MIG.

Ngoài shielding tại torch, titanium còn thường yêu cầu bảo vệ phía chân và phía sau vũng hàn cho đến khi kim loại nguội xuống đủ mức, vì chỉ bảo vệ hồ quang chưa chắc đã đủ.

Hợp kim đồng

Đồng dẫn nhiệt rất mạnh nên nhiệt từ vùng hồ quang nhanh chóng truyền ra phần vật liệu xung quanh.

Các lựa chọn phổ biến gồm:

• Ar cho vật mỏng hoặc yêu cầu hồ quang ổn định.

• He khi cần nhiều nhiệt hơn.

• Ar–He để cân bằng hai nhóm đặc tính.

Đối với chi tiết dày, helium có thể hữu ích nhờ khả năng tăng nhiệt truyền vào vùng hàn. Tuy nhiên, tỷ lệ He cần được điều chỉnh theo chiều dày, thiết bị và yêu cầu penetration.

Bảng chọn nhanh khí theo hợp kim

Bảng trên mang tính định hướng và không thay thế WPS/PQR của từng kết cấu.

Khí bảo vệ, khí backing và khí trailing khác nhau thế nào?

Một mối hàn hợp kim có thể cần nhiều vùng bảo vệ khác nhau.

Primary shielding gas

Đây là khí đi ra từ torch và bao phủ:

• Điện cực.

• Hồ quang.

• Vũng hàn.

Đây cũng là loại khí thường được nhắc đến nhất khi nói về TIG hoặc MIG/MAG.

Backing hoặc purge gas

Backing gas bảo vệ phía chân mối hàn. Vai trò này đặc biệt quan trọng trong:

• Hàn ống inox.

• Duplex.

• Titanium.

• Một số nickel alloy.

• Kết cấu yêu cầu root không bị oxy hóa.

Linde cho biết argon và nitrogen là hai khí purge phổ biến, bên cạnh helium và các hỗn hợp có hydrogen tùy vật liệu.

Trailing gas

Sau khi torch di chuyển, kim loại không còn ở trạng thái lỏng nhưng vẫn có thể còn rất nóng và phản ứng với không khí.

Trailing shielding giúp tiếp tục bao phủ vùng này cho đến khi nhiệt độ hạ xuống.

Điều này đặc biệt quan trọng với titanium và một số reactive alloys. Vì vậy, dùng đúng khí ở torch nhưng bỏ qua root hoặc vùng trailing vẫn có thể khiến mối hàn bị oxy hóa.

Chọn khí theo TIG, MIG/MAG hay FCAW?

Ngoài vật liệu, phương pháp hàn cũng quyết định thành phần khí.

TIG/GTAW

TIG chủ yếu sử dụng:

• Argon.

• Helium.

• Ar–He.

• Một số Ar–H₂ hoặc hỗn hợp chuyên dụng.

Ar và He là các khí trơ nền tảng của TIG.

CO₂ và O₂ không được sử dụng như khí TIG thông thường vì tính hoạt động của chúng có thể ảnh hưởng tungsten và vùng hàn.

MIG/MAG

MIG/MAG có phạm vi khí rộng hơn:

• Ar, He, Ar–He cho nhôm và nhiều kim loại màu.

• Ar–CO₂ hoặc CO₂ cho carbon steel.

• Ar với CO₂/O₂ thấp cho inox.

• Các hỗn hợp He, H₂ hoặc N₂ cho nhóm hợp kim đặc thù.

Theo Linde, GMAW khí trơ với Ar/He chủ yếu phục vụ nhôm và reactive alloys, trong khi các hỗn hợp oxy hóa được dùng cho stainless, high-alloy và carbon steel tùy mức thành phần hoạt tính.

FCAW

FCAW có hai dạng:

• Self-shielded: khí bảo vệ hình thành từ lõi thuốc.

• Gas-shielded: sử dụng nguồn khí bên ngoài.

Với gas-shielded FCAW, CO₂ hoặc Ar–CO₂ là các lựa chọn phổ biến. Linde ghi nhận hỗn hợp Ar với khoảng 20–25% CO₂ thường được sử dụng cho nhiều ứng dụng FCAW, nhưng lựa chọn cuối cùng phải phù hợp với classification của wire.

Những sai lầm thường gặp khi chọn khí hàn hợp kim

Một số lỗi dễ gặp gồm:

• Dùng 100% Ar cho mọi vật liệu: phù hợp nhiều kim loại màu nhưng không tối ưu cho tất cả GMAW/MAG.

• Lấy Ar–CO₂ của thép carbon dùng cho inox: CO₂ quá cao có thể làm tăng oxidation và carbon pickup.

• Cho rằng helium càng nhiều càng tốt: He tăng nhiệt nhưng cũng làm thay đổi hồ quang, flow và chi phí.

• Bổ sung H₂ cho mọi hợp kim: có thể gây porosity hoặc hydrogen embrittlement ở vật liệu không phù hợp.

• Dùng N₂ làm backing cho mọi vật liệu: có lợi với một số duplex nhưng có thể gây nitride ở nhôm.

• Chỉ nhìn tên vật liệu: cùng là inox nhưng austenitic, ferritic và duplex có yêu cầu khác nhau.

• Bỏ qua filler wire: dây hàn được thiết kế và qualification với những nhóm shielding gas nhất định.

• Bỏ qua bảo vệ root: đặc biệt dễ gây lỗi với inox và titanium.

• Tự thay hỗn hợp trên quy trình đã qualification: việc đổi khí có thể ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả WPS.

Cách chọn khí hàn hợp kim phù hợp

Có thể xác định theo trình tự sau:

1. Xác định chính xác alloy grade: không chỉ ghi chung “inox”, “nhôm” hay “nickel”.

2. Xác định phương pháp hàn: TIG, MIG/MAG, FCAW hoặc phương pháp khác.

3. Kiểm tra chiều dày vật liệu: ảnh hưởng nhu cầu heat input và penetration.

4. Xác định yêu cầu mối hàn: độ ngấu, tốc độ hàn, bead profile và năng suất.

5. Kiểm tra yêu cầu luyện kim: corrosion resistance, ferrite/austenite hoặc nguy cơ hydrogen cracking.

6. Đối chiếu filler metal: thành phần dây và khuyến nghị khí của nhà sản xuất.

7. Bám theo WPS/PQR: đặc biệt với kết cấu chịu áp, inox, duplex, nickel và titanium.

ISO 14175 được xây dựng chính để phân loại và chỉ định shielding, backing, process và assist gases theo chemical properties và metallurgical behaviour, tạo cơ sở cho việc lựa chọn và qualification phù hợp.

Nói cách khác, câu hỏi đúng không chỉ là “hàn hợp kim dùng khí gì?”, mà cần là “hợp kim nào, phương pháp gì và yêu cầu mối hàn ra sao?”

Khí hàn và giải pháp cấp khí tại Tomoe Vietnam

Tomoe Vietnam hoạt động trong lĩnh vực khí công nghiệp, khí đặc biệt và hệ thống cung cấp khí. Website của doanh nghiệp hiện cũng có các nội dung kỹ thuật về ứng dụng Argon trong MIG và lựa chọn khí theo vật liệu hàn.

Khi lựa chọn khí cho một dây chuyền hàn hợp kim, doanh nghiệp nên xác định trước:

• Alloy grade.

• TIG, MIG/MAG hay FCAW.

• Chiều dày chi tiết.

• Filler wire.

• WPS hoặc yêu cầu qualification.

• Thành phần hỗn hợp khí.

• Lưu lượng và áp suất.

• Số lượng điểm sử dụng.

• Hình thức cấp bằng chai, cụm chai hay hệ thống đường ống.

Tomoe Vietnam cũng triển khai hệ thống cấp khí cho nhu cầu sản xuất, vì vậy với dây chuyền có nhiều máy hàn, việc lựa chọn nguồn khí nên được xem xét đồng thời với regulator, đường ống và phương án phân phối thay vì chỉ lựa chọn riêng từng bình khí.

Kết luận

Các loại khí trong hàn hợp kim gồm Argon, Helium, CO₂, Oxygen, Hydrogen và Nitrogen, nhưng mỗi khí có ảnh hưởng khác nhau tới hồ quang, nhiệt lượng, mức oxy hóa và tổ chức luyện kim. Nhôm và titanium chủ yếu ưu tiên khí trơ, trong khi inox, duplex và nickel có thể cần các hỗn hợp chuyên biệt chứa CO₂, O₂, He, H₂ hoặc N₂ với tỷ lệ được kiểm soát. Vì vậy, lựa chọn khí cần dựa trên alloy grade, phương pháp hàn, filler và WPS; Tomoe Vietnam có thể hỗ trợ tư vấn khí và hệ thống cấp phù hợp với từng quy trình.