4 dạng dịch chuyển giọt kim loại khi hàn mig/mag

Khi hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ (MIG/MAG/GMAW), tùy thuộc vào chế độ hàn (dòng điện, điện áp) và loại khí bảo vệ sẽ tạo ra nhiệt lượng hồ quang khác nhau, do đó tạo ra các dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng vào vũng hàn khác nhau. Các dạng dịch chuyển và kích thước cũng như tần suất giọt kim loại lỏng rơi vào vũng hàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt lượng cung cấp vào vũng hàn và chất lượng của mối hàn. 

Bởi vậy, khi hàn MIG/MAG việc hiểu bản chất của các dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng để điều chỉnh thông số chế độ hàn phù hợp sẽ là một phần rất quan trọng để tạo ra mối hàn chất lượng. Ngoài ra, các hãng sản xuất thiết bị hàn cũng luôn luôn cải tiến công nghệ để tìm cách điều khiển và kiểm soát được chính xác nhiệt lượng hàn thông qua kiểm soát cơ chế ngắt giọt kim loại lỏng vào trong vũng hàn. 

Điển hình như công nghệ điều khiển sức căng bề mặt Surface Tension Transfer (STT) của Lincoln Electric tích hợp trong các thiết bị hàn như Power wave S500, PIPEFAB,…. Trong bài viết này, DG Welding chúng tôi gửi tới bạn đọc những kiến thức cơ bản nhất liên quan đến 04 dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng thường gặp khi hàn MIG/MAG và ứng dụng của chúng.

1. Dạng dịch chuyển ngắn mạch

Dịch chuyển ngắn mạch (short-circuiting) là một dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng khi hàn GMAW với năng lượng đường thấp. Các giọt kim loại lỏng hình thành luôn tiếp xúc với bể kim loại nóng chảy, sau đó dưới áp lực hồ quang và lực từ trường giọt kim loại lỏng sẽ bị thắt lại theo hiệu ứng pinch và rơi vào trong vũng hàn. Dạng dịch chuyển ngắn mạch thường hình thành khi sử dụng dây hàn trong dải đường kính từ 0.6 – 1.1 mm, với khí bảo vệ là 100% CO2 hoặc khí trộn 75-80% Argon + 25-20% CO2.

Ưu điểm của dịch chuyển ngắn mạch

• Có thể sử dụng hàn được mọi tư thế hàn.
• Có thể hàn lót đáy ống, hoặc hàn cho các liên kết không yêu cầu cao về gá lắp.
• Nhiệt lượng thấp nên ít bị biến dạng.
• Dễ thao tác, và hiệu suất sử dụng điện cực cao (trên 93%).

Nhược điểm của dạng dịch chuyển ngắn mạch

• Không thích hợp để hàn chi tiết chiều dày lớn.
• Việc kiểm soát quá trình hàn không tốt có thể dễ sinh ra khuyết tật không ngấu, bắn tóe.
• Cần sử dụng vách chắn gió khi hàn ngoài trời để tránh lãng phí khí bảo vệ.

Các giai đoạn dịch chuyển của giọt kim loại lỏng

Giọt kim loại lỏng từ lúc hình thành đến khi đứt khỏi đầu điện cực và rơi vào vũng kim loại lỏng sẽ trải qua 5 giai đoạn lặp lại từ A đến E như hình bên dưới. Thông thường có khoảng 200 giọt kim loại lỏng hình thành trong 1 giây.

• Giai đoạn A: đầu điện cực tiếp xúc trực tiếp với vũng hàn, điện áp hồ quang bằng 0, và dòng điện tăng lên, mức độ tăng của dòng điện gây hồ quang ảnh hưởng bởi dòng tự cảm (độ tự cảm của dòng điện).

• Giai đoạn B: thể hiện ảnh hưởng của lực điện từ trường đều xung quanh điện cực tạo nên hiệu ứng Pinch ngắt giọt kim loại lỏng ra khỏi đầu dây hàn. Điện áp hàn tăng từ từ cho tới khi giọt kim loại lỏng được ngắt ra khỏi đầu dây hàn, và dòng điện hàn tiếp tục tăng cho tới khi đạt dòng hàn đỉnh (peak current).
• Giai đoạn C: là giai đoạn giọt kim loại bị đứt và rơi ra khỏi vũng hàn, dòng điện hàn đạt đỉnh, áp lực hồ quang lên vũng hàn sẽ ngăn không cho vũng kim loại lỏng tiếp xúc lại với điện cực.
• Giai đoạn D: là giai đoạn duy trì hồ quang, dòng điện hàn giảm dần về dòng hàn cơ bản, sau đó giọt kim loại lỏng mới tiếp tục được hình thành.
• Giai đoạn E: Điện cực lại tiếp tục tiếp xúc với vũng hàn, chuẩn bị một chu kỳ hình thành giọt kim loại lỏng mới dịch chuyển vào vũng hàn giống như ở giai đoạn A. Tần suất hình thành giọt kim loại từ 20 đến 200 giọt/ giây, và nó phụ thuộc vào độ tự cảm dòng điện cũng như khí bảo vệ. Tăng hàm lượng khí Argon sẽ tăng tần suất giọt kim loại lỏng và giảm kích thước của giọt kim loại lỏng.

2. Dạng dịch chuyển giọt lớn

Dịch chuyển giọt lớn là dạng dịch chuyển giọt kim loại thường gặp khi hàn dây lõi đặc (GMAW) hoặc dây lõi bột kim loại (metal-cored). Dạng dịch chuyển này là sự kết hợp giữa dịch chuyển ngắn mạch với trọng lực của giọt kim loại có kích thước lớn. Với kích thước giọt kim loại lỏng lớn hơn so với đường kính điện cực, dạng dịch chuyển giọt lớn thường tạo ra mối hàn với bể hàn lớn hơn, và hình dạng giọt kim loại lỏng cũng không đều nhau dẫn đến việc ngắt giọt và rơi vào vũng hàn khó kiểm soát hơn nên dễ gây bắn tóe nhiều hơn so với dạng dịch chuyển ngắn mạch.

Dạng dịch chuyển giọt lớn xuất hiện khi hàn sử dụng khí bảo vệ là 100% CO2, đôi khi xuất hiện khi hàn khí trộn Ar+CO2, với dòng điện và điện áp cao hơn so với dạng dịch chuyển ngắn mạch. Thường dùng để hàn thép Cacbon.

Ưu điểm của dạng dịch chuyển giọt lớn

• Thích hợp sử dụng khí CO2 nên tiết kiệm chi phí.
• Dễ dàng hàn với tốc độ hàn cao.
• Vật liệu hàn giá thành không cao.
• Thiết bị hàn thông dụng và tiết kiệm.

Nhược điểm của dạng dịch chuyển giọt lớn

• Bắn tóe nhiều, nên tốn thời gian và chi phí cho việc làm sạch.
• Dễ bị khuyết tật chảy tràn (overlap/ cold lap), hay không ngấu thành (cold shut incomplete fussion), dẫn đến tốn chi phí sửa chữa.
• Mối hàn thường bị lồi và ngấu chân mối hàn không tốt.
• Hiệu suất sử dụng điện cực thấp hơn so với dịch chuyển ngắn mạch (87-93%) do bắn tóe nhiều.

3. Dạng dịch chuyển phun tia (tia dọc trục)

Dịch chuyển phun tia (tia dọc trục) là dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng với năng lượng cao khi hàn GMAW. Các giọt kim loại lỏng có kích thước nhỏ dịch chuyển thành dạng cột kim loại lỏng dọc theo cột hồ quang rơi vào vũng hàn.

Để tạo ra dạng dịch chuyển phun tia, khi hàn thường sử dụng với khí trộn Ar+1-5% O2 tạo mối hàn có chiều sâu ngấu lớn nhưng biên dạng hẹp (finger-like penetration), hoặc Ar + Max 18% CO2 tạo mối hàn có chiều sâu ngấu nhỏ hơn nhưng biên dạng mối hàn rộng hơn. Thường có thể sử dụng dạng dịch chuyển này để hàn đa dạng các loại vật liệu như: Nhôm, Magie, thép cacbon, thép không gỉ, hợp kim Niken, và hợp kim đồng.

Ưu điểm của dạng dịch chuyển phun tia

• Tốc độ đắp lớn
• Hiệu suất sử dụng điện cực cao (98%).
• Dải phạm vi ứng dụng cho các lọa vật liệu rộng rãi.
• Tạo ra biên dạng mối hàn đẹp, ít bắn tóe, mối hàn ngấu tốt.
• Dễ cơ khí hóa, tự động hóa.

Nhược điểm của dạng dịch chuyển phun tia

• Hạn chế tư thế hàn (hàn sấp và hàn ngang).
• Khói khí hàn nhiều.
• Bức xạ nhiệt lớn nên ảnh hưởng đến người thợ.
• Chi phí khí bảo vệ cao hơn so với hàn 100% CO2.

4. Dịch chuyển dạng xung

Đây là một biến thể của dạng dịch chuyển tia dọc trục (gọi là xung tia dọc trục)  hoặc dịch chuyển ngắn mạch (xung ngắn mạch), thường được gọi với tên là hàn xung (GMAW-P). Quá trình này được phát triển với 2 mục đích chính đó là: kiểm soát bắn tóe và loại bỏ khuyết tật không ngấu. Khi thực hiện, dòng điện hàn được điều chỉnh theo chu kỳ giữa dòng điện cao (high peak current) và dòng điện hàn cơ bản (background current), giọt kim loại lỏng sẽ được ngắt ra từng giọt khi ở dòng hàn cao, và dòng điện thấp giúp ổn định hồ quang cũng như bổ sung nhiệt lượng vào vũng hàn.

Ưu điểm của dịch chuyển dạng xung

• Có thể hàn ở mọi tư thế, hàn với tốc độ hàn cao (có thể trên 1.2 m/phút).
• Bắn tóe rất ít, dễ vận hành và thao tác hàn.
• Kiểm soát được khuyết tật không ngấu tốt hơn so với các dạng dịch chuyển khác.
• Mối hàn có ngoại dạng đẹp.
• Giảm thiểu thổi lệch hồ quang.
• Hệ số sử dụng điện cực cao hơn so với khi hàn FCAW, SMAW hay GMAW-S.
• Dễ cơ khí hóa, tự động hóa, và sử dụng hàn với nhiều điện cực (Tandem GMAW TwinArc).

Nhược điểm của dịch chuyển dạng xung

• Thiết bị hàn đắt tiền hơn so với hệ thống thiết bị hàn thông thường.
• Sử dụng khí trộn đắt tiền hơn so với 100% CO2.
• Nhiệt lượng lớn nên bức xạ nhiệt cao.

5. Khuyến cáo ứng dụng của các dạng dịch chuyển giọt kim loại lỏng