Ứng Dụng Của Khí Heli Trong Hàn Và Cách Chọn Hỗn Hợp Ar–He

Ứng dụng của khí heli trong hàn chủ yếu nằm ở vai trò khí bảo vệ cho một số quy trình TIG và MIG, đặc biệt khi cần tăng nhiệt lượng truyền vào vật hàn, cải thiện độ ngấu hoặc tăng tốc độ hàn trên những vật liệu dẫn nhiệt cao như nhôm và đồng. Helium có thể dùng riêng nhưng thường được phối trộn với argon để cân bằng giữa năng lượng hồ quang và độ ổn định khi hàn. Tomoe Vietnam sẽ cùng bạn tìm hiểu đặc tính, phạm vi ứng dụng và cách lựa chọn khí He phù hợp với từng quy trình.

Khí heli đóng vai trò gì trong quá trình hàn?

Helium, ký hiệu He, là một khí hiếm có tính trơ hóa học cao. Trong hàn hồ quang có khí bảo vệ, helium có nhiệm vụ chính là tạo môi trường bao quanh điện cực, hồ quang và vùng kim loại nóng chảy, hạn chế sự xâm nhập của oxy, nitrogen và hơi ẩm từ không khí.

Nếu vũng hàn tiếp xúc với không khí trong quá trình nóng chảy, kim loại có thể xảy ra phản ứng không mong muốn, ảnh hưởng đến độ sạch, cơ tính hoặc hình dạng mối hàn. Vì vậy, khí bảo vệ là một thành phần quan trọng của những phương pháp như TIG/GTAW và MIG/GMAW.

Tuy nhiên, điểm khác biệt của helium so với argon không chỉ nằm ở khả năng bảo vệ. Helium có ionization potential và độ dẫn nhiệt cao hơn argon, làm thay đổi đặc tính truyền năng lượng của hồ quang. Theo ESAB, bổ sung helium vào khí bảo vệ có thể tạo hồ quang có mức năng lượng cao hơn, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt đầu vào, độ ngấu và tốc độ hàn.

ISO 14175:2008 hiện là tiêu chuẩn quốc tế dùng để phân loại khí và hỗn hợp khí cho hàn nóng chảy cùng các quá trình liên quan, trong đó có TIG và hàn hồ quang kim loại có khí bảo vệ. Tiêu chuẩn này đã được ISO rà soát và xác nhận lại năm 2023 nên hiện vẫn còn hiệu lực.

Ứng dụng của khí heli trong hàn mang lại lợi ích gì?

Helium thường được bổ sung khi quy trình cần nhiều nhiệt hơn so với điều kiện sử dụng argon tinh khiết. Những lợi ích cụ thể phụ thuộc vật liệu, chiều dày, dòng điện, tốc độ hàn và tỷ lệ He trong hỗn hợp.

Tăng nhiệt lượng truyền vào vật hàn

Một trong những ảnh hưởng rõ nhất của helium là tăng năng lượng của hồ quang.

Với cùng một chiều dài hồ quang trong những điều kiện phù hợp, việc bổ sung He có thể làm tăng điện áp hồ quang. ESAB cho biết khi thêm helium vào argon trong GMAW nhôm, điện áp hồ quang có thể tăng khoảng 2–3 V, qua đó thay đổi lượng nhiệt truyền vào vùng hàn.

Điều này đặc biệt hữu ích với các vật liệu có khả năng dẫn và phân tán nhiệt nhanh. Nếu nhiệt từ hồ quang bị truyền ra xa quá nhanh, vũng hàn có thể khó hình thành hoặc không đạt đủ nhiệt ở chân mối nối.

Helium giúp tăng năng lượng tại vùng hàn và hỗ trợ khắc phục vấn đề này trong những ứng dụng phù hợp.

Tăng độ ngấu của mối hàn

Nhiệt đầu vào cao hơn có thể tạo điều kiện để hồ quang tác động sâu hơn vào vật liệu.

Tài liệu TIG của Miller cho thấy helium có xu hướng tạo độ ngấu lớn hơn argon, trong khi hỗn hợp Ar–He cho mức độ ngấu nằm giữa hai khí và tốt hơn Ar tinh khiết trong cùng hệ so sánh.

Đặc tính này có lợi khi:

• Hàn chi tiết tương đối dày.

• Vật liệu dẫn nhiệt cao.

• Cần giảm nguy cơ thiếu ngấu.

• Mối nối khó đưa đủ nhiệt vào vùng chân.

• Muốn giảm số lượt hàn trong một số quy trình đã được thử nghiệm.

Tuy nhiên, không thể chỉ tăng tỷ lệ helium để xử lý mọi vấn đề thiếu ngấu. Dòng điện, điện áp, tốc độ di chuyển, góc mỏ, thiết kế mối nối và kỹ thuật của người hàn vẫn phải được thiết lập đúng.

Có thể tăng tốc độ hàn

Khi năng lượng được truyền vào vật hàn hiệu quả hơn, người vận hành có thể tăng tốc độ di chuyển trong một số ứng dụng mà vẫn duy trì độ ngấu cần thiết.

Miller đánh giá helium có thể cho tốc độ di chuyển cao hơn argon, còn hỗn hợp Ar–He cũng có khả năng cải thiện tốc độ so với Ar tinh khiết.

ESAB cũng lưu ý lợi ích này có thể đặc biệt đáng chú ý khi hàn nhôm dày, nơi helium-enriched shielding gas có khả năng hỗ trợ tăng penetration và productivity.

Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế cần tính tổng thể. Helium thường đắt hơn argon và có thể cần lưu lượng cao hơn, nên việc tăng tốc độ hàn chỉ thực sự có ý nghĩa khi phần thời gian hoặc năng suất tiết kiệm được bù lại phần chi phí khí tăng thêm.

Hỗ trợ hạn chế một số khuyết tật do thiếu nhiệt

Nhôm và một số hợp kim có khả năng truyền nhiệt nhanh. Khi nhiệt đầu vào không đủ, quy trình có thể gặp các vấn đề như lack of fusion hoặc độ ngấu không đạt yêu cầu.

Linde cho biết bổ sung helium vào argon khi hàn GMAW nhôm giúp tăng mật độ năng lượng hồ quang và nhiệt tập trung, từ đó hỗ trợ tạo độ ngấu phù hợp và tăng tốc độ hàn. Hãng cũng ghi nhận lượng nhiệt bổ sung có thể hỗ trợ quá trình thoát khí khỏi vũng hàn và giảm porosity trong những điều kiện thích hợp.

Điều này không có nghĩa helium có thể loại bỏ hoàn toàn rỗ khí. Porosity còn chịu ảnh hưởng bởi:

• Bề mặt vật liệu.

• Lớp oxide.

• Dầu mỡ và bụi bẩn.

• Độ ẩm.

• Filler.

• Lưu lượng khí.

• Độ kín đường cấp.

• Kỹ thuật hàn.

Helium chỉ là một yếu tố trong toàn bộ quy trình kiểm soát chất lượng mối hàn.

Khí heli được dùng trong những phương pháp hàn nào?

Helium được sử dụng nổi bật nhất trong TIG và MIG với những kim loại hoặc hợp kim cần khí bảo vệ trơ.

Helium trong hàn TIG/GTAW

TIG sử dụng điện cực tungsten không nóng chảy để tạo hồ quang. Khí bảo vệ bao quanh điện cực và vũng hàn giúp hạn chế sự nhiễm bẩn từ môi trường.

Linde xác nhận argon, helium và các hỗn hợp dựa trên Ar–He đều được sử dụng trong quy trình TIG.

Trong TIG, helium có thể phù hợp khi:

• Hàn vật liệu dày.

• Hàn kim loại có độ dẫn nhiệt cao.

• Cần tăng heat input.

• Cần penetration lớn hơn.

• Muốn tăng travel speed.

So với argon, helium có một số hạn chế. Miller cho biết He có khả năng mồi hồ quang khó hơn, độ ổn định ở dòng thấp kém hơn và thường cần lưu lượng khí cao hơn. Argon vì vậy vẫn là lựa chọn phổ biến và dễ sử dụng hơn trong TIG thông thường.

Hỗn hợp Ar–He thường được lựa chọn để kết hợp khả năng mồi hồ quang và ổn định của argon với lượng nhiệt bổ sung từ helium.

Helium trong hàn MIG/GMAW

Helium cũng được sử dụng trong MIG, đặc biệt với nhôm và những hợp kim phản ứng cao cần môi trường khí trơ.

Linde liệt kê Ar, He và Ar–He trong nhóm khí trơ có thể dùng cho GMAW/MIG nhôm cũng như một số hợp kim nền titanium hoặc nickel.

Trong hàn MIG nhôm, bổ sung helium có thể:

• Tăng nhiệt truyền tới vật liệu.

• Mở rộng vùng penetration.

• Hỗ trợ hàn tấm dày.

• Giảm nguy cơ thiếu ngấu trong điều kiện phù hợp.

• Tăng tốc độ di chuyển.

• Hỗ trợ tăng năng suất dây chuyền.

Tuy nhiên, argon tinh khiết vẫn là khí bảo vệ nền tảng trong phần lớn ứng dụng MIG nhôm. Helium thường được thêm vào khi quy trình có một yêu cầu rõ ràng về heat input hoặc productivity chứ không phải để thay argon trong mọi trường hợp.

Khí heli phù hợp để hàn những vật liệu nào?

Khả năng tăng nhiệt của helium đặc biệt hữu ích với các kim loại dẫn nhiệt cao hoặc một số hợp kim đặc biệt.

Hàn nhôm và hợp kim nhôm

Nhôm là ứng dụng điển hình nhất của hỗn hợp Ar–He.

Vật liệu này dẫn nhiệt nhanh nên nhiệt từ vùng hồ quang có thể nhanh chóng truyền sang khu vực xung quanh. Khi hàn chi tiết dày, người vận hành có thể gặp khó khăn trong việc duy trì đủ nhiệt để tạo độ ngấu.

Helium hoặc hỗn hợp Ar–He giúp tăng nhiệt truyền vào vùng hàn và có thể hỗ trợ:

• Tăng penetration.

• Giảm nguy cơ thiếu ngấu.

• Tăng tốc độ hàn.

• Giảm số pass trong một số kết cấu.

• Cải thiện khả năng xử lý các section dày.

Linde cho biết các hỗn hợp Ar có thể chứa khoảng 10–90% He tùy giải pháp và ứng dụng GMAW nhôm.

Tuy nhiên, với nhôm mỏng và trung bình, argon thường vẫn là lựa chọn hợp lý hơn. ESAB năm 2026 nhấn mạnh helium-enriched gases phát huy giá trị rõ hơn khi hàn vật liệu dày hoặc khi productivity là mục tiêu quan trọng.

Hàn đồng và hợp kim đồng

Đồng có khả năng dẫn nhiệt rất cao, khiến nhiệt tại vùng hàn nhanh chóng bị phân tán vào chi tiết.

Trong các cấu kiện dày, đây có thể là thách thức đáng kể. Nếu hồ quang không cung cấp đủ nhiệt, việc hình thành vũng hàn và đạt penetration cần thiết trở nên khó hơn.

Helium hoặc hỗn hợp Ar–He có thể được cân nhắc nhằm:

• Tăng năng lượng hồ quang.

• Tăng nhiệt tại vùng hàn.

• Hỗ trợ tạo vũng nóng chảy.

• Cải thiện penetration trên section dày.

Việc lựa chọn vẫn phải dựa trên hợp kim đồng cụ thể, chiều dày và welding procedure đã được xác nhận.

Hàn magie và hợp kim magie

Magie và các hợp kim của nó cũng sử dụng khí bảo vệ trơ trong nhiều quy trình hàn hồ quang.

Argon thường là lựa chọn phổ biến, nhưng He hoặc hỗn hợp Ar–He có thể được xem xét khi cần thay đổi mức nhiệt đầu vào, đặc biệt với section dày hơn.

Do tính chất của từng hợp kim và hình dạng chi tiết khác nhau, helium không nên được mặc định là lựa chọn tốt hơn argon.

Nickel, titanium và một số hợp kim đặc biệt

Helium còn xuất hiện trong hàn một số vật liệu nền nickel, titanium và các hợp kim phản ứng cao.

Linde liệt kê hỗn hợp Ar–He trong nhóm khí trơ sử dụng cho GMAW/MIG của các hợp kim phản ứng như titanium hoặc nickel.

Với titanium, yêu cầu bảo vệ khỏi oxy và nitrogen rất nghiêm ngặt khi kim loại còn ở nhiệt độ cao. Do đó, chất lượng khí, vùng bao phủ và trailing/backing protection có thể quan trọng không kém thành phần He trong khí bảo vệ.

So sánh khí Helium và Argon trong hàn

Helium và argon đều là khí trơ nhưng tạo đặc tính hồ quang khác nhau.

Bảng so sánh của Miller cũng cho kết quả tương tự: argon có ưu thế về arc starting, arc stability, flow rate và chi phí, còn helium có ưu thế về arc voltage, penetration và travel speed.

Do đó, không thể kết luận helium tốt hơn argon.

Argon thường phù hợp với:

• Vật liệu mỏng hoặc trung bình.

• TIG ở dòng thấp.

• Công việc cần mồi hồ quang dễ.

• Quy trình ưu tiên độ ổn định.

• Khi chi phí khí cần được kiểm soát.

Helium đáng cân nhắc khi:

• Vật liệu dày.

• Kim loại dẫn nhiệt cao.

• Cần tăng heat input.

• Độ ngấu hiện tại chưa đáp ứng.

• Tăng tốc độ hàn có giá trị kinh tế.

Tại sao thường phối trộn Helium với Argon?

Thay vì dùng He 100%, nhiều quy trình lựa chọn hỗn hợp Ar–He để tận dụng ưu điểm của cả hai khí.

Argon đóng góp:

• Mồi hồ quang dễ hơn.

• Hồ quang ổn định.

• Phù hợp với dòng thấp.

• Khả năng che phủ tốt với lưu lượng tương đối thấp.

• Chi phí thường thấp hơn helium.

Helium đóng góp:

• Tăng điện áp hồ quang.

• Tăng nhiệt truyền vào vật.

• Cải thiện penetration.

• Có thể tăng travel speed.

• Hữu ích với section dày và kim loại dẫn nhiệt cao.

Miller ghi nhận hỗn hợp Ar–He cho khả năng mồi hồ quang và ổn định tốt hơn helium tinh khiết, đồng thời vẫn đạt penetration và tốc độ hàn cao hơn Ar 100%.

Đây là lý do Ar–He thường được xem như một giải pháp cân bằng thay vì tăng helium tới 100% ngay từ đầu.

Tỷ lệ Argon – Helium trong hàn nên chọn thế nào?

Không có một tỷ lệ Ar–He duy nhất phù hợp với mọi quy trình.

Trong GMAW nhôm, ESAB cho biết lượng helium bổ sung thường có thể nằm trong khoảng 25–75% He trong Ar. Khi tăng tỷ lệ helium, năng lượng hồ quang, penetration và khả năng tăng tốc độ hàn thường tăng theo, nhưng đặc tính hồ quang và chi phí cũng thay đổi.

Miller cũng cho biết các hỗn hợp TIG phổ biến có thể nằm trong khoảng 25–75% helium, tùy mục tiêu nhiệt và yêu cầu mồi hồ quang.

Có thể hiểu theo định hướng:

Tỷ lệ cụ thể nên được xác định từ:

• Vật liệu.

• Chiều dày.

• TIG hay MIG.

• Dòng điện.

• Điện áp.

• Kiểu joint.

• Tốc độ di chuyển.

• Độ ngấu yêu cầu.

• Loại filler.

• Welding Procedure Specification nếu áp dụng.

Không nên tự thay đổi tỷ lệ khí trên một quy trình sản xuất đã được phê duyệt mà không kiểm tra lại ảnh hưởng tới mối hàn.

Khi nào nên dùng Helium và khi nào chỉ cần Argon?

Helium không phải lựa chọn mặc định cho mọi công việc hàn.

Nên cân nhắc He hoặc Ar–He khi:

• Hàn nhôm hoặc đồng có độ dẫn nhiệt cao.

• Chi tiết tương đối dày.

• Quy trình đang gặp vấn đề thiếu nhiệt hoặc thiếu ngấu.

• Cần tăng tốc độ hàn để cải thiện năng suất.

• Muốn giảm số pass trong một số kết cấu phù hợp.

• Quy trình đã được đánh giá với hỗn hợp chứa He.

Argon thường hợp lý hơn khi:

• Hàn vật liệu mỏng.

• TIG cần kiểm soát hồ quang tốt.

• Làm việc ở dòng điện thấp.

• Hàn nhôm thông thường.

• Không có yêu cầu đặc biệt về tăng heat input.

• Chi phí khí là yếu tố quan trọng.

ESAB khuyến nghị argon tinh khiết vẫn là lựa chọn khởi đầu cho phần lớn TIG và MIG nhôm, trong khi hỗn hợp giàu helium phù hợp hơn với những joint dày hoặc nơi lợi ích về penetration và cycle time đủ lớn để bù chi phí khí.

Lưu ý khi sử dụng khí heli trong hàn

Việc chuyển từ argon sang helium hoặc Ar–He có thể yêu cầu điều chỉnh cả hệ thống thay vì chỉ đổi bình khí.

Một số điểm cần lưu ý:

• Không áp dụng nguyên lưu lượng Ar cho helium.

• He có mật độ thấp nên thường yêu cầu lưu lượng lớn hơn.

• Không tăng flow quá mức vì dòng khí rối có thể kéo không khí vào vùng bảo vệ.

• Kiểm tra độ kín của hose, regulator và fitting để hạn chế thất thoát He.

• Chọn regulator phù hợp áp suất nguồn.

• Làm sạch bề mặt kim loại trước khi hàn.

• Điều chỉnh voltage, current và travel speed khi thay đổi khí.

• Kiểm tra mối hàn thử trước khi áp dụng hàng loạt.

• Duy trì thông gió tốt tại khu vực làm việc.

Miller cho biết flow của helium thường cao hơn argon; tài liệu TIG của hãng thậm chí sử dụng mức so sánh helium cần khoảng gấp đôi lưu lượng Ar trong một số cấu hình.

Tuy nhiên, không nên lấy một con số lưu lượng cố định áp dụng cho mọi torch. Miller hiện khuyến nghị lưu lượng TIG nói chung phải được xác định theo consumable, điều kiện môi trường và cấu hình thực tế; flow quá cao có thể gây turbulence, kéo không khí vào cột khí bảo vệ và làm nhiễm bẩn mối hàn hoặc điện cực tungsten.

Bảng tổng hợp tác động của Helium trong hàn

Các xu hướng này chỉ mang tính định hướng. Kết quả thực tế còn phụ thuộc máy hàn, polarity, vật liệu, chiều dày, filler và thông số của từng welding procedure.

Tomoe Vietnam cung cấp khí Helium cho các ứng dụng hàn

Helium là một trong những khí hiếm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Nội dung chuyên môn của Tomoe Vietnam hiện cũng đề cập He như một khí bảo vệ có ứng dụng trong hàn các kim loại như nhôm và titanium.

Đối với ứng dụng hàn, việc lựa chọn nguồn helium không nên chỉ dựa vào tên khí. Doanh nghiệp cần xác định rõ vật liệu, phương pháp TIG hay MIG, chiều dày chi tiết, thành phần hỗn hợp, lưu lượng, áp suất và thiết bị điều áp đi kèm.

Tomoe Vietnam hoạt động trong lĩnh vực khí công nghiệp, khí đặc biệt và hệ thống cung cấp khí, đồng thời triển khai đường ống và giải pháp cấp khí cho nhiều nhu cầu sản xuất. Với quy trình cần He hoặc hỗn hợp Ar–He, cấu hình khí nên được lựa chọn theo yêu cầu mối hàn và welding procedure thực tế thay vì mặc định sử dụng helium tinh khiết.

Kết luận

Ứng dụng của khí heli trong hàn tập trung vào vai trò khí bảo vệ trơ đồng thời giúp tăng năng lượng hồ quang, độ ngấu và khả năng hàn những vật liệu dẫn nhiệt cao như nhôm, đồng hoặc các chi tiết dày. Tuy nhiên, helium khó mồi hồ quang hơn, thường cần lưu lượng lớn và có chi phí cao hơn argon, vì vậy hỗn hợp Ar–He thường là lựa chọn cân bằng trong nhiều ứng dụng. Doanh nghiệp có thể trao đổi với Tomoe Vietnam để lựa chọn thành phần khí và giải pháp cấp phù hợp với quy trình hàn thực tế.