Quá Trình Hàn – Một Lò Luyện Kim Thu Nhỏ

1. Mở đầu

Nhiều người cho rằng hàn đơn giản chỉ là làm chảy que hàn và vật liệu nền để kết dính chúng lại với nhau. Tuy nhiên, dưới góc nhìn kỹ thuật vật liệu, bản chất của quá trình hàn chính là một quá trình luyện kim nhanh, nơi diễn ra hàng loạt phản ứng hóa học, vật lý và biến đổi cấu trúc tinh thể trong thời gian rất ngắn.

Trong chuyên đề này, chúng ta sẽ cùng phân tích vì sao vùng hồ quang – hay còn gọi là vũng hàn – thực chất là một lò luyện kim thu nhỏ, và cách vật liệu hàn được thiết kế để can thiệp, cải thiện hoặc tái cấu trúc vật liệu tại vùng liên kết.

2. Bản chất luyện kim của quá trình hàn

a. Hồ quang – Nguồn nhiệt luyện kim tức thời

• Nhiệt độ hồ quang có thể lên đến 5000 – 6000°C, đủ để:

  • Nung chảy kim loại nền và que hàn

  • Gây bay hơi các tạp chất như H, O, N

  • Thúc đẩy các phản ứng oxy hóa – khử

b. Vật liệu hàn – Chất điều chỉnh thành phần kim loại nóng chảy

• Không chỉ là kim loại độn (filler), que hàn/dây hàn còn đóng vai trò đưa vào các nguyên tố hợp kim có lợi, như:

  • Cr, Mo, Ni, Mn → tăng bền, tăng cứng, chống ăn mòn

  • Ti, Al → tinh luyện hạt

  • Fe (tinh khiết) → bổ sung khối lượng, đồng nhất nền

• Đồng thời, lớp thuốc hàn (vỏ thuốc hoặc thuốc bột) cũng làm nhiệm vụ:

  • Khử khí độc: Hút H, O, S ra khỏi vũng hàn

  • Ổn định hồ quang: Cải thiện dòng nhiệt và khí quyển xung quanh

c. Làm nguội siêu nhanh – Kết tinh lại vi cấu trúc

• Sau khi hồ quang kết thúc, kim loại nguội lại trong vài giây

• Quá trình này tạo ra:

  • Vùng kim loại hàn (WM): nơi tái tạo hoàn toàn cấu trúc

  • Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): có biến đổi nhưng không chảy

• Cả hai vùng trên có thể tốt hơn, hoặc yếu hơn vật liệu ban đầu, tùy thuộc vào:

  • Thành phần vật liệu hàn

  • Thông số hàn (nhiệt, tốc độ, dòng điện)

  • Biện pháp xử lý sau hàn (nhiệt luyện, chống nứt)

2. Bản chất luyện kim của quá trình hàn

a. Hồ quang – Nguồn nhiệt luyện kim tức thời

• Nhiệt độ hồ quang có thể lên đến 5000 – 6000°C, đủ để:

  • Nung chảy kim loại nền và que hàn

  • Gây bay hơi các tạp chất như H, O, N

  • Thúc đẩy các phản ứng oxy hóa – khử

b. Vật liệu hàn – Chất điều chỉnh thành phần kim loại nóng chảy

• Không chỉ là kim loại độn (filler), que hàn/dây hàn còn đóng vai trò đưa vào các nguyên tố hợp kim có lợi, như:

  • Cr, Mo, Ni, Mn → tăng bền, tăng cứng, chống ăn mòn

  • Ti, Al → tinh luyện hạt

  • Fe (tinh khiết) → bổ sung khối lượng, đồng nhất nền

• Đồng thời, lớp thuốc hàn (vỏ thuốc hoặc thuốc bột) cũng làm nhiệm vụ:

  • Khử khí độc: Hút H, O, S ra khỏi vũng hàn

  • Ổn định hồ quang: Cải thiện dòng nhiệt và khí quyển xung quanh

c. Làm nguội siêu nhanh – Kết tinh lại vi cấu trúc

• Sau khi hồ quang kết thúc, kim loại nguội lại trong vài giây

• Quá trình này tạo ra:

  • Vùng kim loại hàn (WM): nơi tái tạo hoàn toàn cấu trúc

  • Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): có biến đổi nhưng không chảy

• Cả hai vùng trên có thể tốt hơn, hoặc yếu hơn vật liệu ban đầu, tùy thuộc vào:

  • Thành phần vật liệu hàn

  • Thông số hàn (nhiệt, tốc độ, dòng điện)

  • Biện pháp xử lý sau hàn (nhiệt luyện, chống nứt)

3. Hai bản chất hàn phổ biến

Trường hợp 1: Vật liệu hàn ≈ vật liệu nền → Kết nối & tái cấu trúc

• Ví dụ: hàn thép CT3 bằng que E6013, hàn inox 304 bằng ER308L

• Mục tiêu: tái cấu trúc vùng kim loại nóng chảy

• Lợi ích: Mối hàn gần như đồng nhất, dễ kiểm soát, độ bền cao nếu xử lý đúng

Trường hợp 2: Vật liệu hàn ≠ vật liệu nền → Luyện kim tại chỗ

• Ví dụ:

  • Hàn đắp DCr-60 lên thép trung carbon

  • Hàn inox 309L giữa thép thường và inox

  • Hàn Inconel 625 lên thép hợp kim Cr-Mo

• Mục tiêu:

  • Biến đổi, làm giàu vùng liên kết bằng kim loại đặc tính cao

  • Khắc phục nhược điểm vật liệu nền (mài mòn, ăn mòn, giòn, nứt)

• Đây là hình thức “hợp kim hóa tại chỗ” – nơi thợ hàn chính là người luyện kim

4. Ý nghĩa đối với người làm kỹ thuật và doanh nghiệp

• Hiểu được bản chất luyện kim giúp:

  • Chọn đúng loại que/dây hàn cho từng ứng dụng cụ thể

  • Tránh hiện tượng sai vật liệu → nứt, rỗ khí, hàn không ăn

  • Tối ưu hóa chi phí vật tư, tránh thay mới chi tiết không cần thiết

• Về mặt lâu dài:

  • Doanh nghiệp có thể xây dựng thư viện vật liệu hàn riêng

5. Kết luận

Quá trình hàn không chỉ là việc kết nối hai chi tiết kim loại, mà là một quá trình luyện kim nhanh, cục bộ, định hướng, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về vật liệu, nhiệt luyện, hóa học và công nghệ. Người thợ hàn giỏi là người không chỉ biết “đốt que”, mà còn hiểu rằng mỗi mối hàn là một sản phẩm vật liệu mới.