Công nghệ và Giải pháp hàn TIG / GTAW mới nhất

Các doanh nghiệp sản xất hiện nay cần hiểu biết về các công nghệ hàn TIG/GTAW mới nhất và áp dụng một cách phù hợp để nâng cao năng suất và chất lượng cho doanh nghiệp mình. Thông qua việc phân tích những hạn chế của hàn TIG truyền thống và các ưu điểm của các công nghệ tiên tiến tích hợp trong thiết bị hàn mới, bài viết dây đây sẽ giúp bạn đọc có được cái nhìn tổng thể và đưa ra lựa chọn tốt nhất.

1. Giới thiệu về hàn tig (introduction)

Theo từ điển bách khoa về Hàn của AWS Jefferson ^[1], quá trình hàn TIG lúc đầu còn có tên gọi khác là “Heliarc” được đăng ký bởi Union Carbide Corporation vì lý do sử dụng khí Heli để bảo vệ vũng hàn hồ quang. Quá trình hàn được phát minh bởi kỹ sư Russell Meredith làm cho công ty sản xuất máy bay Northrup Aircraft của Mỹ và chính thức áp dụng từ năm 1941, do nhu cầu hàn các vật liệu như nhôm, ma-giê trong chế tạo tàu chiến và máy bay sử dụng cho Thế chiến II.

TIG là từ viết tắt của Tungsten Inert Gas (Hàn bằng điện cực Wonfram sử dụng khí bảo vệ là khí trơ), Theo cách gọi của Mỹ là GTAW (viết tắt của Gas Tungsten Arc Welding) ^[2]. Chúng ta có thể gọi với tên đầy đủ là: Quá trình hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (thường là khí trơ), hoặc cách gọi ngắn gọn hay sử dụng trong công nghiệp đó là “quá trình hàn TIG”.

Về bản chất, đây là một quá trình hàn hồ quang, sử dụng năng lượng hồ quang điện được hình thành giữa điện cực không nóng chảy Wonfram và kim loại cơ bản, hồ quang hàn sẽ làm nóng chảy vùng kim loại cơ bản tại mép của liên kết hàn và kim loại bù/ que bù (nếu có) để tạo nên vũng kim loại nóng chảy. Khí trơ (thường là Argon, Heli, hoặc hỗn hợp Ar + He) được sử dụng để bảo vệ vũng kim loại mối hàn, cho tới khi vũng kim loại lỏng nguội, kết tinh và hình thành nên liên kết hàn. Trên hình 1 dòng hàn từ nguồn điện (9) được đưa vào điện cực vonfram thông qua ống kẹp điện cực (7). Giữa điện cực (8) và chi tiết hàn (1) hình thành hồ quang (2) làm nung chảy kim loại bổ sung (que bù) và mép liên kết, hình thành mối hàn. Dòng khí bảo vệ (6) được cấp tới hồ quang và vũng hàn thông qua chụp khí (5) ^[3-6].

Với những ưu điểm như, biên dạng mối hàn đẹp, ít bắn tóe, hàn được mọi tư thế, năng lượng đường nhỏ nên người thợ hàn có thể kiểm soát nhiệt của vũng hàn nóng chảy, máy hàn có thể sử dụng với cả dòng một chiều (DC) và dòng xoay chiều (AC). Quá trình hàn TIG thích hợp cho hàn những chi tiết mỏng, và ứng dụng hàn cho hầu hết các loại vật liệu như thép cacbon, thép không gỉ, nhôm, titan, đồng, ma-giê ^[7]. Bảng 1 và Hình 2 dưới đây đưa ra so sánh khả năng thực hiện hàn theo chủng loại vật liệu và chiều dày đối với một số phương pháp hàn hồ quang thông dụng.

Bảng 1. So sánh khả năng hàn của một số phương pháp hàn thông dụng ^[7]

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý quá trình hàn TIG ^[6]

Hình 2. So sánh khả năng hàn của một số phương pháp hàn theo vật liệu và chiều dày ^[7]

Tuy nhiên, quá trình hàn TIG cũng tồn tại những điểm hạn chế như: hệ số đắp thấp, yêu cầu cao về kỹ năng tay nghề của thợ hàn, kém hiệu quả về mặt kinh tế đối với những chi tiết có chiều dày lớn hơn 10mm. Hơn nữa, các nguồn hàn đời đầu như biến áp hàn (transformer) hay chỉnh lưu hàn (rectifỉer) thường dùng bộ điều khiển tương tự (analogue), nên dòng điện hàn luôn dao động liên tục theo thời gian, gây hao tổn năng lượng rất lớn trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, những chủng loại máy hàn này lại có kích thước lớn và nặng, chính vì vậy các loại thiết bị hàn này dần bị thay thế và loại bỏ khỏi thị trường ^[5].

Loại nguồn điện hàn thế hệ mới hơn là loại nguồn điện hàn kỹ thuật số (digital control) sử dụng bán dẫn chuyển mạch thứ cấp. Thế hệ mới nhất là loại nguồn điện hàn bán dẫn chuyển mạch sơ cấp, còn gọi là nguồn điện hàn biến tần (inverter) như trong Hình 3. Cho dù vẫn dùng biến áp nguồn lớn như loại nguồn điện hàn thế hệ trước, nguồn điện hàn loại này cho phép giảm đáng kể tồn thất năng lượng tại mạch thứ cấp do sử dụng các bóng bán dẫn chuyển mạch, ví dụ: transistor lưỡng cực có tần số chuyển mạch đến 30 kHz. 

Transistor công suất MOS (oxit kim loại) có tần số chuyển mạch đến 200 kHz. Transistor lưỡng cực có cổng cách (IGBT) với tần số chuyển mạch đến 40 kHz. Dòng điện hàn xung trong trường hợp này có dạng “kỹ thuật số” Khả năng tạo ra dòng điện hàn dưới dạng các xung điện nói trên cho phép điều chỉnh “giá trị trung bình”, tức là nhiệt năng đưa vào liên kết hàn một cách linh hoạt. Thời gian không có xung cũng là thời gian không phát sinh tổn thất nhiệt do dòng điện hàn ^[5].

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý của nguồn điện hàn inverter ^[5]

2. Các biện pháp công nghệ mới nhất của hãng Lincoln

Cùng với nhu cầu thực tế ngày càng cao về cải thiện vấn đề năng suất cũng như chất lượng và giảm giá thành sản xuất. Rất nhiều các nghiên cứu đã được đưa ra nhằm phát triển quá trình hàn này. Dưới đây, chúng tôi xin trình bày một số biện pháp công nghệ mới nhất của hãng Lincoln điển hình cho xu hướng công nghệ hàn TIG trong tương lai.

a. Engineering Solution (giải pháp công nghệ)

Bài toán nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm hàn đã và đang được nhiều doanh nghiệp quan tâm và triển khai thực hiện. Rất nhiều doanh nghiệp đã cố gắng cải tiến năng suất thông qua việc tăng thời gian làm việc, đầu tư trang thiết bị, xây dựng lại hệ thống sản xuất… 

Tuy nhiên, thực tế đã chỉ ra rằng, với việc đầu tư một cách nhỏ lẻ vào một hoặc một số khâu trong quá trình sản xuất đều chưa đem lại được hiệu quả mong đợi, ví dụ như: Doanh nghiệp A tích cực đầu tư các hệ thống máy hàn mới, nhưng trình độ nhân lực trong cơ quan không đủ để vận hành hết hiệu quả mà thiết bị mới có thể mang lại. Hoặc, doanh nghiệp B luôn cập nhật các công nghệ mới nhất thông qua việc cử nhân viên tham gia các khóa đào tạo, sau đó đầu tư mạnh về thiết bị mới, nhưng lại yếu trong khâu quản lý tối ưu và sản phẩm hàn chưa đạt được chất lượng tốt nhất do thiếu quy trình hàn… 

Như vậy, một giải pháp toàn diện và tổng thể về công nghệ, thiết bị, con người, và quy trình đồng thời kết hợp với việc cải tiến liên tục thông qua trao đổi trực tiếp giữa nhà sản xuất với nhà cung cấp để có được những giải pháp tối ưu nhất chính là cách mỗi doanh nghiệp sẽ phải hướng tới trên con đường chinh phục khách hàng bằng sản phẩm chất lượng, dịch vụ tốt và giá thành cạnh tranh.

Bằng kinh nghiệm của mình thông qua việc đồng hành và giải quyết các bài toán thực tế từ khách hàng, hãng Lincoln sẵn sang thông qua các đại lý của mình để truyền tải những công nghệ hàn mới nhất, thông qua những cải tiến về chức năng và khả nặng vận hành của thiết bị hàn. Bên cạnh đó, với đội ngũ kỹ sư, chuyên gia giỏi trong lĩnh vực hàn, hãng luôn có những chương trình đào tạo kỹ thuật, tư vấn giải pháp và xây dựng hệ thống, quy trình tối ưu giúp doanh nghiệp nâng cao được năng suất, chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh của mình. 

Dưới đây, bài viết chỉ tập trung vào các giải pháp công nghệ được tích hợp trong các thiết bị hàn mới nhất của hãng, các nội dung khác, bạn đọc có thể trao đổi trực tiếp với DG Welding - vp miền bắc cty Double Good JSC – đại lý phân phối của hãng tại Việt Nam để có được tư vấn cụ thể.

b. Công nghệ điều khiển số (Digital control engineering)

Với ưu điểm vượt trội của công nghệ điều khiển số, các thiết bị hàn Inverter đời mới được nâng cấp và sẽ thay thế cho thiết bị hàn cũ. Công nghệ điều khiển số giúp cho người thợ dễ dàng điều chỉnh chính xác được dòng điện và điện áp thông qua các nút bấm và giao điện thân thiện trên máy hàn. Việc kiểm soát chính xác chế độ hàn, sẽ giúp thợ hàn kiểm soát được lượng nhiệt cung cấp vào trong mối hàn, từ đó điều chỉnh để kiểm soát được hình dáng, kích thước mối hàn và tăng chất lượng mối hàn, giảm khuyết tật hàn. 

Ngoài ra, công nghệ điều khiển số được tích hợp trong những bảng mạch điều khiển ngày càng tinh gọn, nhờ đó thiết bị hàn Inverter nhỏ gọn hơn, linh hoạt hơn nhiều so với dòng máy Thysistor trước đây.

Hãng Lincoln có đưa ra các dòng máy hàn TIG công nghệ inverter mới nhất, tùy theo ứng dụng cụ thể mà doanh nghiệp có thể lựa chọn một cách phù hợp. Đối với những công việc hàn thép kết cấu đơn giản, chi tiết có chiều dày nhỏ hơn 6mm thì các dòng máy inverter như Invertec® 170TX, 170TPX and 220TPX chiếm ưu thế do có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt, dễ thao tác trong điều kiện điện lưới 1 pha. Hoặc các dòng máy Invertec® V205-TP-2V, V205-T-AC/DC có thể dễ dàng tích hợp với máy phát điện trong trường hợp không có điện lưới 1 pha. 

Tuy nhỏ gọn, và hàn với dòng tối đa khoảng 170A hoặc 220A, nhưng những thiết bị này đều được trang bị đầy đủ các tính năng mới nhất đối với thiết bị hàn TIG như: chức năng mồi hồ quang quẹt hoặc cao tần, chế độ hàn 2T/4T, chức năng hàn que và máy có khả năng hàn được TIG xung hoặc TIG điểm rất hữu ích khi hàn đính hoặc hàn tấm mỏng. Dòng máy V205-T-AC/DC còn được sử dụng với những doanh nghiệp có nhu cầu hàn hợp kim màu như Nhôm thông qua sử dụng dòng xoay chiều AC.

c. Công nghệ “AC Auto-Balance®”

Với những sản phẩm có kích thước và chiều dày lớn hơn 6mm tới 10mm cần thực hiện ở ngoài hiện trường không có lưới điện thì các dòng máy hàn Invertec® V270-TP, V270-T chiếm ưu thế. Trong khi đó các thiết bị Invertec® 400 TPX and 300 TPX có khả năng hàn với dòng điện lớn hơn từ 300A tới 400A và tích hợp khả năng hàn xung, sẽ giúp giải quyết được vấn đề năng suất của doanh nghiệp. 

Cùng công suất với dòng máy này, nhưng bổ sung thêm chức năng hàn “AC Auto-Balance®” và cung cấp dải rộng tần số hàn xoay chiều (40-400Hz), các dòng máy hàn thế hệ mới Aspect® 300, 375 AC/DC, 375 AC/DC Ready-Pak® có thể tự động điều chỉnh dòng cực thuận (DCEP) và cực nghịch (DCEN) ở mức tối ưu nhất giữa 2 hiệu ứng làm sạch lớp oxit và hàn ngấu, đồng thời máy hỗ trợ giúp thợ hàn điều chỉnh và lựa chọn được chiều cao, tần số và bề rộng xung. 

Ưu điểm vượt trội của công nghệ này sẽ giải quyết được bài toán làm sạch lớp oxit nhôm cũng như khống chế nhiệt hàn, một vấn đề được coi là trở ngại lớn trong quá trình hàn nhôm.

d. Công nghệ "Intellistart™"

Công nghệ này xuất hiện ở các dòng máy mới Aspect® 300, 375 AC/DC, 375 AC/DC Ready-Pak®, vừa giúp cung cấp khả năng mồi hồ quang "mềm" ứng dụng khi hàn vật liệu mỏng, hoặc gây hồ quang "nóng" ứng dụng hàn chi tiết dày. Đồng thời, thế hệ máy mới này giúp điều chỉnh hồ quang rất êm, giúp cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn, và từ đó nâng cao năng suất, giảm chi phí sửa chữa cho doanh nghiệp.

e. IP23S/ IP23, IEC974-1, ROHS và CE

Một điểm vượt trội và rất đáng lưu ý đó là, tất cả các dòng máy inverter đời mới của Lincoln, mặc dù nhỏ gọn về kích thước, nhưng lại có độ bền cao, khả năng chống chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường như bụi, gió, tuyết… do được sản xuất và chế tạo sau đó thử nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn nghiêm ngặt như: IP23S/ IP23, IEC974-1, ROHS và CE. Vì vậy, các doanh nghiệp sẽ tiết kiệm được khoản chi phí về sửa chữa do hỏng hóc.

3. Kết luận (Conclusions)

Một giải pháp toàn diện sẽ giúp doanh nghiệp giải quyết triệt để bài toán năng suất và chất lượng. Trong đó, việc ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới được tích hợp trong các thiết bị tiên tiến như máy hàn TIG inverter tích hợp công nghệ điều khiển số, công nghệ “AC auto-balance®” hay "Intellistart™" sẽ đóng góp không nhỏ và là một lựa chọn sáng suốt cho các doanh nghiệp khi áp dụng cho hệ thống sản xuất của mình.

4. Tài liệu tham khảo (Reference)

[1]. AWS Jefferson’s Welding Encyclopedia, 18^th edition, Robert L. O'Brien, 1997.

[2]. AWS A3.0:2001 Standard Welding Terms and Definitions.

[3]. AWS Welding handbook, Vol.2, Chapter 3, 1997.

[4]. Principles of welding, Robert W.Messler, Jr., 2004.

[5]. Kỹ thuật hàn nóng chảy và ứng dụng, chương 1, TS. Ngô Lê Thông, 2015.

[6]. TCVN 5017-1:2009, Hàn và các quá trình liên quan - Từ vựng - Phần 1: Các quá trình hàn kim loại.

[7]. https://www.lincolnelectric.com/en-us/Pages/default.aspx

==============================================

QUYỀN SỞ HỮU VÀ BẢO MẬT: Báo cáo này căn cứ trên các kết quả thử nghiệm của hãng Lincoln Electric, và được biên tập bởi Double Good JSC – Nhà phân phối sản phẩm và Dịch vụ ủy quyền của Lincoln Electric tại Việt Nam. Không được phép sao chép, lưu chuyển, sử dụng tài liệu này với bất kỳ mục đích nào nếu không được sự cho phép bằng văn bản của Double Good JSC.

Ghi chú: Tính đa dạng trong thiết kế, chế tạo và điều kiện làm việc của các sản phẩm thực tế sẽ ảnh hưởng tới kết quả thực nghiệm. Vì vậy các bên tự cân nhắc và chịu trách nhiệm khi áp dụng các thông tin trong báo cáo này vào công việc của mình.