Kim loại hàn là gì? Các nghiên cứu khoa học về Kim loại hàn

Định nghĩa và khái niệm

Kim loại hàn (filler metal) là vật liệu hợp kim hoặc kim loại tinh khiết được đưa vào mối ghép nhằm tạo liên kết cơ học và nhiệt giữa các chi tiết. Trong quá trình hàn, kim loại hàn nóng chảy, hòa trộn với kim loại cơ bản (base metal) và nguội đông tạo thành mối nối đồng nhất về kết cấu và tính chất cơ lý. Khái niệm này áp dụng cho hầu hết các phương pháp hàn hồ quang, hàn khí và hàn laser.

Thuật ngữ “filler metal” bao gồm que hàn (rod), dây hàn (wire) và thanh hàn (stick), lựa chọn tùy vào phương pháp và loại vật liệu cơ bản. Kim loại hàn phải tương thích về thành phần hóa học, hệ số giãn nở nhiệt và đặc tính cơ học để hạn chế nứt nóng, tăng độ bền mối hàn. Thông tin chi tiết về từng loại có thể tham khảo trên trang của American Welding Society: AWS.

Phân loại kim loại hàn

Kim loại hàn được phân loại theo phương pháp hàn và cấu tạo sản phẩm:

• Que hàn hồ quang (SMAW): lõi kim loại bọc flux, sử dụng cho thép cacbon và thép hợp kim thấp.
• Dây hàn MIG/MAG (GMAW): dây đặc hoặc dây lõi flux, dùng khí bảo vệ CO₂ hoặc khí trộn Ar/CO₂.
• Dây hàn TIG (GTAW): dây đặc không bọc flux, phù hợp cho inox, nhôm và hợp kim nhẹ.
• Thanh hàn đặc (Stick electrodes): dùng cho hàn tự động hoặc hàn robot, thường là hợp kim Ni–Cu hoặc Cu–Si.

Phương pháp hàn	Loại kim loại hàn	Chất liệu cơ bản
SMAW	Que hàn bọc flux	Thép cacbon, thép hợp kim
GMAW	Dây hàn đặc/lõi flux	Thép, inox, nhôm
GTAW	Dây hàn TIG	Inox, nhôm, hợp kim nhẹ
SAW	Thanh hàn đặc	Thép dày, ống áp lực

Thành phần hóa học và cơ chế hoạt động

Thành phần kim loại hàn thường bao gồm Fe, Ni, Cu hoặc Al làm nền, bổ sung Cr, Mo, Mn, Si để điều chỉnh tính cơ lý, độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn. Đối với inox, hàm lượng Cr ≥ 18% và Ni ≥ 8% nhằm tạo lớp oxide bảo vệ; với nhôm, thành phần Al tinh khiết ≥ 99% kết hợp Mg hoặc Si để tăng cứng kết tủa.

Flux trong que hàn hoặc lõi dây hàn đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch bề mặt nóng chảy, loại bỏ tạp chất và tạo môi trường khí trơ bảo vệ. Flux tạo bong bóng khí CO₂ hoặc CO, đẩy khí O₂, N₂ ra khỏi vùng hàn, giảm hình thành lỗ rỗ khí (porosity) và ngăn ngừa oxy hóa.

• Element Fe/Ni: cung cấp khung pha cơ bản.
• Cr/Mo: tăng khả năng chịu nhiệt và chống mòn.
• Si/Mn: cải thiện độ chảy và làm sạch bề mặt.
• Flux: tạo khí bảo vệ, loại bỏ oxit và tạp chất.

Tiêu chuẩn và ký hiệu

Tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia quy định ký hiệu, thành phần và phạm vi sử dụng kim loại hàn:

• AWS A5.XX: tiêu chuẩn của American Welding Society cho que và dây hàn, ví dụ AWS A5.1 cho que hàn thép cacbon (AWS Standards).
• ISO 14343: tiêu chuẩn quốc tế cho dây hàn MIG dùng thép không hợp kim và hợp kim thấp.
• EN ISO 2560: tiêu chuẩn châu Âu quy định que hàn hồ quang cơ bản cho thép và thép hợp kim.
• JIS Z3111: tiêu chuẩn Nhật Bản cho que hàn thép không gỉ.

Ký hiệu thường bao gồm mã loại, đường kính và lớp phủ flux, ví dụ “E7018-1 H4R” với E: electrode, 70: độ bền kéo 70 ksi, 18: khả năng hàn thép ở nhiều tư thế, H4R: chỉ số hàm ẩm và thành phần hợp kim.

```\

Tính chất cơ học và vật lý

Độ bền kéo (tensile strength), độ chảy (yield strength) và độ dãn dài (elongation) của kim loại hàn phụ thuộc vào thành phần hợp kim và quy trình làm mát. Ví dụ, que hàn thép hợp kim thấp AWS E7018 đạt độ bền kéo ~560–620 MPa và độ dãn dài ≥22%, trong khi dây hàn inox 316L có độ bền kéo ~490–620 MPa và độ dãn dài 40%–50% (AWS Standards).

Độ cứng (hardness) của mối hàn thường đo theo thang Vickers hoặc Rockwell. Kim loại hàn có Cr và Mo cao như hợp kim 316/347 thường có độ cứng thấp hơn thép carbon, giúp giảm ứng suất dư và chống nứt nóng. Ngược lại, kim loại hàn Ni-based alloys (Inconel) có độ cứng cao, chịu nhiệt đến 600 °C mà không giảm độ bền.

Loại kim loại hàn	Độ bền kéo (MPa)	Độ chảy (MPa)	Độ dãn dài (%)
E7018 (thép carbon)	560–620	450–520	>22
ER316L (inox)	490–620	170–310	40–50
ER5356 (nhôm)	245–310	110–150	>12

Hệ số giãn nở nhiệt (coefficient of thermal expansion) của kim loại hàn cần tương thích với kim loại cơ bản để hạn chế ứng suất nhiệt khi làm nguội. Ví dụ, dây hàn Inconel 625 có α ~12.8×10⁻⁶ K⁻¹, gần với thép 300 series.

Ứng dụng trong các phương pháp hàn

Trong hàn hồ quang tay (SMAW), que hàn bọc flux như E7018 và E6010 phổ biến cho ứng dụng kết cấu thép, thiết bị áp lực và công trình cầu đường. Flux bọc giúp loại bỏ tạp chất và ngăn ngừa oxy hóa mối hàn.

Hàn MIG/MAG (GMAW) sử dụng dây hàn lõi đặc (ER70S-6) hoặc dây lõi flux (FCAW) cho thép carbon và inox. Dây lõi flux thích hợp cho hàn ngoài trời nhờ khả năng tạo khí bảo vệ tự động, giảm phụ thuộc vào súng khí.

• Hàn TIG (GTAW): ER308/309/316L cho inox, ER4043 cho nhôm; ưu điểm là mối hàn tinh khiết, ít khói và bắn tóe.
• Hàn hạt (SAW): thanh hàn dạng thanh đặc, áp dụng cho hàn tự động ống và thép dày, đạt năng suất cao và độ ngấu sâu.
• Hàn laser & plasma: thường sử dụng dây hàn hoặc băng hàn mỏng, cho mối hàn siêu nhỏ gọn, ít biến dạng.

Ứng dụng kim loại hàn đa dạng từ công nghiệp nặng (dầu khí, đóng tàu) đến sản xuất ô tô, hàng không và chế tạo thiết bị y tế, dựa trên yêu cầu chịu nhiệt, chống ăn mòn và chịu mỏi.

Lựa chọn và chuẩn bị trước khi sử dụng

Khảo sát vật liệu cơ bản (base metal) để xác định loại kim loại hàn phù hợp: thép cacbon, inox, nhôm hay hợp kim đặc biệt. Tham khảo thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất que/dây hàn để đối chiếu thành phần và tính chất cơ lý.

1. Kiểm tra độ ẩm: que hàn bọc flux cần được lưu trữ trong tủ sấy ở 100–150 °C để đạt chỉ số hàm ẩm <0.5%.
2. Làm sạch bề mặt: loại bỏ gỉ sét, dầu mỡ và oxit bằng bàn chải sắt, dung môi thích hợp.
3. Chuẩn bị mối hàn: gia công mép hàn (bevel) theo góc 30°–45° và khoảng hở 1–3 mm để đảm bảo ngấu đều.

Đối với dây hàn lõi flux, cần kiểm tra bề mặt không có dầu mỡ và lưu trữ nơi khô ráo; với dây hàn lõi đặc, đảm bảo cuộn dây không bị gấp khúc hoặc hư hỏng lớp bảo vệ.

Hướng dẫn hàn và kiểm soát chất lượng

Điều chỉnh dòng điện và điện áp phù hợp với đường kính kim loại hàn và vật liệu cơ bản. Ví dụ, que E7018 Φ3.2 mm thường dùng dòng 80–120 A, điện áp 20–25 V, tốc độ hàn 100–150 mm/phút.

• Giữ góc que/dây hàn 10°–15° theo chiều chuyển động để giảm bắn tóe và tăng ngấu.
• Duy trì khoảng cách đầu que/dây hàn đến bề mặt 3–5 mm để ổn định hồ quang.
• Điều chỉnh tốc độ hàn cân bằng giữa năng suất và chất lượng mối hàn.

Kiểm tra hình dạng mối hàn: không có khuyết tật bề mặt như rỗ khí, vết nứt nhỏ hay văng bắn; chiều sâu ngấu ≥2/3 độ dày vật liệu. Thử cơ lý mối hàn qua kéo, uốn và va đập tuân theo ASTM E8/E23 hoặc ISO 9015.

Ảnh hưởng của kim loại hàn đến mối hàn

Thành phần hóa học của kim loại hàn quyết định cấu trúc pha trong vùng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Ví dụ, hợp kim Ni và Cr cao tạo pha austenite ổn định, tăng tính chống ăn mòn và độ dai ở nhiệt độ thấp.

Chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa kim loại hàn và kim loại cơ bản có thể gây ứng suất nhiệt, nứt nguội (cold cracking). Kiểm soát tốc độ làm nguội sau hàn (preheat & post-heat) giúp giảm sai khác nhiệt độ và ứng suất dư.

Sự tương thích kim loại hàn – kim loại cơ bản còn ảnh hưởng đến khả năng khử hydrogen dư, từ đó hạn chế nứt nóng và nứt nguội do hydrogen. Que hàn low-hydrogen (H4R) thường dùng cho mối hàn chịu tải trọng cao.

Tài liệu tham khảo

• American Welding Society (AWS). Specification for Welding Electrodes and Rods (AWS A5.1, A5.18). https://www.aws.org/standards.
• ISO 14343:2019. Welding consumables — Solid and metal-cored electrodes for gas shielded arc welding. ISO.
• EN ISO 2560:2017. Welding consumables — Covered electrodes for manual metal arc welding of non-alloy and fine grain steels. ISO.
• ASM International. ASM Handbook, Volume 6: Welding, Brazing, and Soldering. https://www.asminternational.org/.
• Weman, K. (2014). Welding Processes Handbook. Woodhead Publishing.