Nguyễn Duy Biên

Khí bảo vệ TIG

Khí bảo vệ (Shielding Gas)

Trong hàn TIG, điều quan trọng là tránh hiện tượng oxy hóa không chỉ của điện cực volfram mà còn của vũng hàn, phổ biến nhất là argon, helium hoặc hỗn hợp của cả hai.

Nitơ (N₂) có thể được dùng khi hàn đồng, nhưng quá phản ứng với hầu hết các hợp kim kỹ thuật nên thường không được dùng.

Đối với thép không gỉ austenit, hợp kim nickel và hợp kim đồng–nickel, argon trộn với tối đa 5% hydro có thể được sử dụng để tăng độ xuyên thấu (penetration).

Argon nặng hơn không khí, trong khi helium nhẹ hơn nhiều. Do đó, cần lưu lượng khí helium cao hơn để đảm bảo bảo vệ hiệu quả — trừ khi hàn ở vị trí trần (overhead).

Helium có khả năng khuếch tán khối lượng (mass diffusivity) cao hơn nhiều so với argon → giúp truyền nhiệt tốt hơn, thể hiện qua độ xuyên sâu lớn hơn khi hàn TIG.

Tuy nhiên, năng lượng ion hóa của helium cao hơn argon đáng kể, do đó hồ quang TIG dùng helium sẽ có điện áp hồ quang cao hơn.

Lưu lượng khí (Flow rate)

Dù dùng loại khí nào, điều quan trọng là lưu lượng khí phải đủ để che chắn vũng hàn và vùng kim loại nóng xung quanh.

Cần sử dụng đồng hồ đo lưu lượng, ví dụ loại bi nổi, lắp sau bộ điều áp. Tuy nhiên, cũng nên kiểm tra lưu lượng ngay tại mỏ hàn.

Các dụng cụ kiểm tra lưu lượng khí đơn giản có thể áp sát đầu phun mỏ hàn (quay ngược đầu lên) để đọc trực tiếp lưu lượng khí, kết hợp với đồng hồ gắn ở bình để kiểm tra rò rỉ trong hệ thống ống dẫn khí.

⚠️ Tránh dùng đầu phun có đường kính nhỏ, đặc biệt khi hàn kim loại phản ứng như nhôm, hợp kim nickel.

Mặc dù đầu chụp khí nhỏ giúp dễ quan sát vũng hàn, nhưng không cung cấp đủ lớp che chắn khí cho toàn bộ kim loại khi đang nóng.

Các hợp kim như thép không gỉ, hợp kim nickel chứa Crôm và Titan, dễ bị oxy hóa → gây nên khuyết tật ngậm oxit (oxidise inclusion)

Lưu lượng khí cần thiết phụ thuộc vào:

Cấu hình và vị trí hàn
Dòng điện
Cực tính (polarity)
Thành phần khí

Nếu lưu lượng quá thấp, khí bảo vệ không đủ để đẩy không khí ra khỏi vùng hàn, có thể dẫn đến bọt khí (porosity) và nhiễm bẩn.

Dấu hiệu của lưu lượng khí thấp: mối hàn bị xỉn màu mạnh, hồ quang không ổn định, điện cực bị oxy hóa.

Nếu lưu lượng quá cao, xảy ra rối loạn vùng khí bảo vệ, khiến không khí bị hút ngược vào vùng hàn → gây bọt khí và nhiễm bẩn.

Trường hợp này ít xảy ra, nhưng khi hàn tại vị trí góc, hiện tượng này dễ phát sinh → nên dùng lưu lượng thấp hơn cho các vị trí đó.

Lưu lượng khí bảo vệ tiêu chuẩn thường nằm trong khoảng ~10 đến ~12 lít/phút (l/min).

Khi nghi ngờ về khả năng che chắn khí, nên sử dụng gas lens – thiết bị lắp giữa thân mỏ và đầu phun, giúp tạo dòng khí ổn định (laminar).

Có nhiều loại gas lens: từ đĩa sứ xốp, lưới kim loại mịn, đến đầu phun gốm kéo dài để phù hợp với thiết bị này.

Dòng khí trước và sau hàn (pre-flow and post-flow)

Pre- and post-flow
(Dòng khí trước và sau hàn)

Mục đích của dòng khí trước (pre-flow) và sau hàn (post-flow) là để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của cả vũng hàn và điện cực volfram do không khí xung quanh.

Khi mỏ hàn không hoạt động, không khí có thể xâm nhập vào hệ thống qua đầu phun.

Độ ẩm trong không khí có thể ngưng tụ bên trong đầu phun và ống dẫn khí, gây nhiễm bẩn bởi hydro và oxy trong giai đoạn bắt đầu hàn.

Dòng khí bảo vệ trước (pre-flow) sẽ làm sạch không khí và hơi ẩm khỏi ống và mỏ hàn, từ đó ngăn ngừa nhiễm bẩn.

Dòng khí sau (post-flow) hoạt động theo cách khác; ngay sau khi hồ quang hàn tắt, mối hàn, que đắp và điện cực volfram vẫn còn đủ nóng để xảy ra phản ứng hóa học với oxy trong không khí.

Hậu quả của quá trình oxy hóa này dễ nhận thấy – nó khiến mối hàn, que đắp và volfram bị chuyển sang màu đen.

Post-flow sẽ ngăn hiện tượng oxy hóa bằng cách bảo vệ vùng điện cực và vùng hàn đang nóng, đồng thời đẩy nhanh quá trình làm nguội, cũng hạn chế xuất hiện nứt miệng nuối lửa hoặc nứt ngôi sao do co ngót.

Nếu điện cực volfram bị đổi màu do oxy hóa, cần loại bỏ và mài lại để loại bỏ hoàn toàn lớp oxit.

Khuyết tật hàn TIG (GTAW)

Ngậm volfram (Tungsten inclusions)

Bất kỳ mảnh vụn nào của điện cực volfram rơi vào mối hàn đều sẽ xuất hiện trên phim chụp X-quang, hiển thị dưới dạng màu trắng trên ảnh âm bản do volfram có khối lượng riêng rất cao (Giải thích: vật chất có khối lượng riêng cao có thể cản tốt các tia bức xạ, như Chì --> Do đó, RT film ít bị đen hơn nên vị trí ngậm Volfram(Ti) thấy sáng hơn).

Mặc dù một số thử nghiệm chỉ ra rằng ngay cả với lượng volfram lớn trong mối hàn thép hoặc nhôm bằng TIG cũng không ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc mối hàn và chịu lực trạng thái tĩnh,, nhưng ảnh hưởng lớn đến cơ tính và độ dai va đập do ảnh hưởng nhiệt cấp vào cao. Do đó, hầu hết các tiêu chuẩn kiểm tra đều quy định rằng đây là khuyết tật không được chấp nhận.

Do đó, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật để tránh ngậm volfram.

Nguyên nhân chính gây ra ngậm volfram trong mối hàn:

Sốc nhiệt (Thermal shock)
Khi dòng điện hàn cao đột biến gây sốc nhiệt tại đầu điện cực volfram, nó có thể dẫn đến đầu nhọn volfram bị nứt vỡ và rơi vào vũng hàn. Nguyên nhân này có thể xuất hiện lúc bắt đầu hồ quang do đánh lửa sai quy cách hoặc nhiệt cấp vào quá cao (có thể tốc độ di chuyển điện cực quá chậm)
👉 Nguồn điện hiện đại thường có tính năng tăng dòng từ từ (current slope-up) để giảm sốc nhiệt — giúp làm nóng volfram từ từ và ổn định hơn. Bạn có thể sử dụng thiết bị đánh lửa HF Spark để hạn chế shock nhiệt, nhưng thiết bị này dùng dòng cao tầng nên có thể ảnh hưởng gây hử hỏng thiết bị điện tử, xem thêm bài phân tích tại HF Spark.
Ôxy hóa điệc cực do thiếu khí bảo vệ
Khi khí bảo vệ không đủ hoặc không bao phủ tốt, điện cực volfram sẽ bị ôxy hóa nhanh và rã thành từng mảnh nhỏ.
👉 Vì vậy, cần phải thực hiện xả khí trước (pre-flow) đúng cách để làm sạch đường khí và đầu mỏ hàn trước khi khởi động hồ quang hàn.

Nứt nóng (Solidification cracking)

Nứt nóng hay gọi khác là nứt do đông đặc, nứt giữa đường hàn, tức là nứt khi mối hàn còn nóng. Xãy ra từ lúc kim loại hàn còn loãng cho đến khi đã đông đặc.

Một số thành phần vật liệu có xu hướng nhạy cảm với hiện tượng nứt trong quá trình đông đặc.
Đối với thép ferit, thép không gỉ và hợp kim nickel, nguyên nhân thường là do tạp chất như lưu huỳnh (S) và phosphor (P) gây ra.

Dây hàn (filler wire) thường được thiết kế có hàm lượng mangan cao, vì mangan phản ứng với các tạp chất này và tạo thành các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, ít có khả năng gây nứt nóng.

Trong thép không gỉ, cần có một tỷ lệ nhỏ (~5%) pha ferit trong nền austenit để tránh nứt nóng, điều này được điều chỉnh thông qua việc lựa chọn thành phần kim loại bổ sung (filler) một cách cẩn thận.
Việc pha loãng với kim loại cơ bản và thành phần hóa học của vật liệu nền cũng cần được xem xét, từ đó chọn que hàn thích hợp để đạt được hàm lượng ferit cần thiết.

Hợp kim nhôm (Aluminium alloys) cũng có thể nhạy cảm với hiện tượng nứt nóng, ngay cả khi không có tạp chất — chỉ cần tỷ lệ nguyên tố hợp kim cao là đủ tạo điều kiện cho nứt.

Vì thế, kim loại bổ sung phải được chọn sao cho hạn chế nứt nóng.
Tuy nhiên, cần cẩn trọng vì sự pha loãng với vật liệu nền có thể đưa thêm nguyên tố không tương thích như Mg cùng với Si, dễ gây nứt.

Nếu thành phần kim loại hàn nhạy cảm với nứt do đông đặc, hiện tượng này thường xảy ra trong hai điều kiện:

Không có đủ kim loại lỏng để lấp đầy các vết nứt bắt đầu hình thành.
Ứng suất co rút cao trong quá trình nguội.

🧨 Hai điều kiện trên đặc biệt đúng trong miệng hố (final crater) khi hồ quang bị tắt — hiện tượng nứt này được gọi là nứt miệng nuối lửa (crater cracking), là một dạng phổ biến của nứt do đông đặc.

Khi vùng miệng hàn cuối cùng đông đặc, có thể hình thành vết nứt hình ngôi sao ở tâm miệng hàn.

Các nguồn điện hàn hiện đại có chức năng giảm dòng từ từ (current slope-out) hoặc post-folow, nghĩa là khi thợ hàn tắt dòng, dòng điện giảm dần, làm cho vũng hàn nhỏ dần và nông hơn → kết quả là miệng hàn cuối cùng đủ nhỏ để không bị nứt.