Hàn kim loại là gì: nung chảy hai mép kim loại thành một khối liền

Hàn kim loại là cách nối hai chi tiết bằng việc nung chảy cục bộ mép của chúng, thường kèm thêm một ít kim loại bù, để phần lỏng trộn vào nhau rồi đông đặc lại thành một khối liền. Sau khi nguội, mối hàn tốt không còn là "chỗ dán" mà là kim loại liên tục, chịu lực gần như hoặc bằng vật liệu gốc. Đó là điểm khác căn bản giữa hàn với dán keo, bắt bu lông hay tán đinh.

Hàn khác dán keo và tán đinh ở điểm nào?

Có ba cách lớn để nối hai tấm kim loại. Cách thứ nhất là nối cơ khí: khoan lỗ rồi bắt bu lông hoặc tán đinh. Hai tấm vẫn là hai khối riêng, lực truyền qua thân đinh và qua ma sát giữa hai mặt tiếp xúc. Tháp Eiffel (1889) và cầu Long Biên (1898–1902) đều được ghép bằng đinh tán, hàng trăm nghìn tới hàng triệu chiếc, mỗi chiếc được nung đỏ, đóng vào lỗ rồi tán đầu khi còn nóng.

Cách thứ hai là dán: một lớp keo bám vào bề mặt hai tấm. Liên kết nằm ở lớp keo, kim loại không hề chảy. Keo kết cấu ngày nay rất khoẻ, được dùng cả trong vỏ ô tô, nhưng thường kém hơn ở nhiệt độ cao và cần bề mặt thật sạch.

Cách thứ ba là hàn: kim loại ở mép nối bị nung tới thể lỏng, hai bên hoà vào nhau. Không còn ranh giới giữa "tấm A" và "tấm B", chỉ còn một vùng kim loại đã đông đặc lại. Nhờ vậy kết cấu hàn nhẹ hơn kết cấu tán đinh (không có phần chồng mép và đầu đinh), kín nước, kín khí, nên gần như mọi bồn chứa, đường ống áp lực, thân tàu hiện đại đều được hàn.

Cũng cần phân biệt hàn nóng chảy với hàn vảy. Ở hàn vảy, chỉ có vật liệu trung gian (vảy hàn, que hàn đồng, thiếc) bị nung chảy rồi chảy vào khe hẹp nhờ mao dẫn; kim loại gốc vẫn rắn. Mốc khoảng 450 °C thường được dùng để tách hàn vảy cứng (hàn đồng, hàn bạc) với hàn vảy mềm (hàn thiếc).

Vũng hàn là gì và điều gì xảy ra bên trong nó?

Khi nguồn nhiệt (hồ quang điện, ngọn lửa khí, chùm laser) chiếu vào mép nối, một vùng kim loại nhỏ chảy thành giọt lỏng sáng rực. Đó là vũng hàn. Với thép, vũng hàn phải vượt khoảng 1.500 °C mới lỏng được, vì sắt nguyên chất chảy ở khoảng 1.538 °C và thép chảy trong một khoảng hơi thấp hơn tuỳ lượng cacbon. Với nhôm, chỉ cần khoảng 660 °C, nhưng nhôm dẫn nhiệt rất nhanh nên nhiệt bị hút đi khắp tấm, thợ phải cấp nhiệt mạnh và dứt khoát.

Người thợ không "vẽ" một đường kim loại lên bề mặt, mà dắt vũng hàn đi dọc đường nối. Phía trước, kim loại gốc liên tục bị nung chảy; phía sau, kim loại lỏng nguội đi và kết tinh. Các hạt tinh thể mọc từ thành vũng (nơi lạnh hơn) hướng vào tâm, giống như băng mọc từ bờ ao vào giữa. Vì thế khi cắt ngang một mối hàn, đánh bóng rồi tẩm axit nhẹ trong phòng thí nghiệm, người ta thấy rõ những hạt dài hình cột chĩa về đường tâm.

Bao quanh mối hàn là vùng ảnh hưởng nhiệt: phần kim loại gốc không chảy nhưng bị nung nóng đủ để cấu trúc bên trong thay đổi. Đây thường là chỗ yếu nhất của một liên kết hàn. Thép có nhiều cacbon có thể bị cứng giòn ở vùng này; hợp kim nhôm đã hoá bền có thể bị mềm đi. Phần lớn công sức của kỹ sư hàn dồn vào việc khống chế vùng ảnh hưởng nhiệt: nung nóng sơ bộ trước khi hàn, giới hạn nhiệt lượng đưa vào, ủ khử ứng suất sau khi hàn.

Kim loại bù dùng để làm gì?

Hai mép tấm dày hiếm khi khít hoàn hảo. Thợ thường vát mép thành hình chữ V, chữ X hay chữ U để nhiệt đi sâu tới đáy, rồi lấp đầy rãnh vát bằng kim loại bù: lõi que hàn, dây hàn cuộn hay que hàn phụ cầm tay. Kim loại bù có ba việc:

• Lấp thể tích: một rãnh vát trên tấm thép dày vài chục milimét có thể cần hàng chục lớp hàn chồng lên nhau.
• Điều chỉnh thành phần: dây hàn thường được pha thêm mangan, silic để khử ôxy trong vũng hàn, hoặc thêm niken, crom để mối hàn hợp với thép gốc.
• Bù chỗ bị đốt cháy: một số nguyên tố bay hơi hoặc cháy mất trong hồ quang; kim loại bù được tính dư để bù lại.

Với tấm mỏng ghép sát, có thể hàn không cần kim loại bù: chỉ nung chảy hai mép cho chúng hoà vào nhau. Hàn TIG trên ống inox mỏng và hàn laser vỏ pin là hai ví dụ.

Vì sao phải che vũng hàn khỏi không khí?

Kim loại lỏng nóng hơn 1.500 °C phản ứng rất nhanh với không khí. Ôxy biến sắt thành ôxít, làm mối hàn lẫn xỉ. Nitơ hoà vào thép lỏng rồi tách ra khi nguội, khiến mối hàn giòn. Hơi ẩm phân huỷ thành hydro, hydro chui vào kim loại và có thể gây nứt nguội vài giờ, thậm chí vài ngày sau khi hàn xong. Vì thế mọi phương pháp hàn hồ quang đều có cách che chắn:

• Thuốc bọc que hàn: khi cháy tạo khí và lớp xỉ phủ lên mối hàn. Gõ lớp xỉ đi mới thấy kim loại sáng bên dưới.
• Khí bảo vệ thổi qua mỏ hàn: argon, heli là khí trơ; CO₂ hoặc hỗn hợp argon – CO₂ cho thép.
• Thuốc hàn dạng bột: hàn hồ quang chìm rải lớp bột phủ kín hồ quang, dùng cho dầm cầu, ống cỡ lớn.
• Chân không: hàn chùm tia điện tử thực hiện trong buồng hút chân không, dùng cho chi tiết hàng không, hạt nhân.

Khi khí bảo vệ bị gió thổi bạt, mối hàn lập tức rỗ lỗ chỗ như tổ ong. Đó là lý do hàn MIG ngoài công trường lộng gió hay phải quây bạt, còn hàn que vẫn sống khoẻ ở ngoài trời.

Có những nguồn nhiệt nào để hàn?

Hàn chỉ là bài toán đưa đủ nhiệt vào đúng chỗ trong thời gian ngắn. Lịch sử nghề hàn cũng là lịch sử của các nguồn nhiệt:

• Hàn rèn: cách cổ nhất, nung hai thanh sắt tới nóng trắng rồi đập cho dính vào nhau. Kim loại không chảy hẳn mà khuếch tán qua mặt tiếp xúc.
• Ngọn lửa khí: ngọn lửa ôxy – axetylen nóng khoảng hơn 3.000 °C, phổ biến từ đầu thế kỷ 20.
• Hồ quang điện: dòng điện phóng qua khe khí giữa điện cực và vật hàn, cột hồ quang nóng tới hàng nghìn độ. Cuối thế kỷ 19, các kỹ sư Nikolai Benardos và Nikolai Slavyanov ở Nga đã hàn bằng hồ quang; năm 1904 Oscar Kjellberg ở Thuỵ Điển đưa ra que hàn có thuốc bọc, mở đường cho hàn que.
• Điện trở: kẹp hai tấm giữa hai điện cực đồng, cho dòng điện rất lớn chạy qua, chỗ tiếp xúc nóng chảy thành một "hạt" hàn. Thân vỏ một chiếc ô tô có vài nghìn điểm hàn kiểu này, phần lớn do robot làm.
• Chùm năng lượng: laser và chùm tia điện tử, tập trung nhiệt vào vùng rất hẹp, mối hàn sâu mà mảnh.
• Ma sát: hàn ma sát khuấy (công bố năm 1991 tại Anh) dùng một đầu quay ép vào đường nối, nhiệt ma sát làm kim loại dẻo ra và bị khuấy trộn mà không chảy lỏng. Cách này rất hợp với hợp kim nhôm khó hàn chảy.

Kim loại nào dễ hàn, kim loại nào khó?

"Tính hàn" là khả năng cho ra mối hàn tốt mà không cần quá nhiều biện pháp đặc biệt. Thép cacbon thấp (thép xây dựng, thép tấm thông thường) dễ hàn nhất. Càng nhiều cacbon, thép càng dễ cứng giòn ở vùng ảnh hưởng nhiệt, phải nung sơ bộ và nguội chậm. Gang rất khó hàn vì nhiều cacbon và giòn sẵn. Inox hàn được tốt nếu che khí kỹ và không để quá nóng lâu. Nhôm có lớp ôxít bề mặt chảy ở khoảng 2.072 °C, cao gấp ba lần nhôm bên dưới, nên phải phá lớp ôxít đó (bằng dòng xoay chiều khi hàn TIG) mới hàn được. Một số hợp kim nhôm hoá bền như 7075 bị coi là gần như không hàn chảy được vì dễ nứt nóng.

Hàn hai kim loại khác nhau, ví dụ đồng với thép hay nhôm với thép, khó hơn nữa: chúng chảy ở nhiệt độ khác nhau, giãn nở khác nhau, và có thể tạo hợp chất giòn ở mặt tiếp giáp. Công nghiệp giải quyết bằng hàn ma sát, hàn nổ, hoặc dùng miếng chuyển tiếp đã được ghép sẵn ở nhà máy.

Hàn nguy hiểm ở đâu và học hàn ở đâu?

Hàn là nghề cần học bài bản, không phải việc tự mày mò. Rủi ro chính gồm: tia cực tím từ hồ quang gây viêm giác mạc và bỏng da chỉ sau vài giây nhìn trần; xỉ và giọt kim loại bắn gây bỏng, cháy quần áo; khói hàn, đặc biệt khi hàn tôn mạ kẽm, có thể gây sốt khói kim loại; điện giật khi đứng chỗ ẩm; cháy nổ nếu hàn gần xăng dầu, bình khí hay thùng phuy từng đựng chất cháy. Mối hàn vừa xong đã hết đỏ vẫn có thể nóng vài trăm độ.

Người muốn vào nghề nên học tại trường cao đẳng, trung cấp có nghề hàn hoặc trung tâm đào tạo được cấp phép. Tại đó học viên được trang bị mặt nạ hàn, găng da, áo chống cháy, học an toàn điện, thông gió, rồi mới cầm mỏ hàn. Muốn hiểu sâu hơn về vật liệu, giáo trình "Công nghệ hàn" trong các trường kỹ thuật và tiêu chuẩn TCVN về hàn là nơi nên bắt đầu. Nếu có dịp tham quan một nhà máy đóng tàu hay xưởng kết cấu thép, nhìn từ khu vực khách những dãy robot hàn điểm hay các buồng hàn ống sẽ thấy rõ hơn mọi trang sách.