Phun bắn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm về phun bắn

Phun bắn (spattering) là hiện tượng các giọt kim loại nóng chảy hoặc hạt vật liệu li ti văng ra khỏi vùng làm việc trong quá trình gia công nhiệt, đặc biệt phổ biến trong hàn hồ quang, cắt kim loại bằng nhiệt và các quy trình luyện kim. Các hạt này được hình thành do sự gián đoạn của hồ quang, sự rung động của vật liệu nóng chảy hoặc tác động đột ngột của nhiệt và áp suất, gây phân tán giọt kim loại ra môi trường xung quanh. Phun bắn có thể xuất hiện dưới dạng hạt mịn, hạt lớn hoặc các đốm kim loại nóng có thể bám trên bề mặt thiết bị và vật liệu lân cận. Nguồn tham khảo: American Welding Society (AWS).

Phun bắn có ảnh hưởng rõ rệt trong các ứng dụng hàn, nơi chất lượng mối hàn cần đạt tính thẩm mỹ và độ bền cao. Khi xuất hiện quá nhiều phun bắn, bề mặt kim loại sẽ bị lấm tấm các hạt bám cứng, gây khó khăn trong quá trình làm sạch và có thể tạo khuyết tật trên lớp hàn. Ngoài ra, phun bắn làm tăng lượng vật liệu hao phí, gây lãng phí trong sản xuất quy mô lớn. Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến tình trạng cháy xém, hư hỏng sơn hoặc biến dạng nhẹ trên các bộ phận xung quanh, ảnh hưởng đến chất lượng tổng thể của sản phẩm.

Phun bắn không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là vấn đề an toàn lao động. Các hạt kim loại nóng có thể bắn vào da, mắt hoặc gây cháy các vật liệu dễ bắt lửa. Tính chất nguy hiểm của chúng đòi hỏi người vận hành phải trang bị đầy đủ thiết bị bảo hộ và tuân thủ quy trình an toàn nghiêm ngặt. Nhiều tiêu chuẩn công nghiệp khuyến nghị kiểm soát phun bắn như một chỉ số quan trọng trong đánh giá an toàn và hiệu suất của các quy trình hàn.

Bảng mô tả tổng quan về hiện tượng phun bắn:

Đặc điểm	Mô tả
Nguồn phát sinh	Hàn hồ quang, cắt plasma, phun nhiệt, luyện kim
Tác động chính	Ảnh hưởng chất lượng bề mặt, gây nguy cơ an toàn
Dạng xuất hiện	Hạt mịn, hạt lớn, tia kim loại nóng

Cơ chế hình thành hiện tượng phun bắn

Phun bắn hình thành chủ yếu do sự mất ổn định của hồ quang hoặc do lực tác động lên kim loại nóng chảy khi nhiệt độ đạt gần hoặc vượt điểm nóng chảy. Trong hàn hồ quang, sự dao động hồ quang, biến động dòng điện hoặc tình trạng điện cực bẩn có thể làm giọt kim loại bị tách ra đột ngột và văng ra khỏi vùng hàn. Khi hồ quang không ổn định, sự phân tán năng lượng gây nên rung động bề mặt giọt kim loại, tạo điều kiện cho phun bắn hình thành. Nguồn tham khảo: OSHA – Welding, Cutting and Brazing.

Áp suất khí từ khí bảo vệ hoặc không khí môi trường cũng có thể tác động mạnh đến dòng kim loại nóng, khiến các hạt bị thổi tung theo nhiều hướng khác nhau. Nếu tốc độ dòng khí không phù hợp hoặc có gió mạnh tại khu vực làm việc, hồ quang sẽ bị kéo lệch, làm tăng mức độ phun bắn. Ngoài ra, hiện tượng oxy hóa bề mặt kim loại tạo ra lớp màng giòn, khiến giọt kim loại bị vỡ và phun ra ngoài khi tiếp xúc với nhiệt cao.

Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế phun bắn:

• Độ ổn định của hồ quang: phụ thuộc dòng điện, điện áp và chất lượng điện cực.
• Áp suất và tốc độ khí: khí bảo vệ không phù hợp gây lệch hồ quang.
• Đặc tính vật liệu: mức oxy hóa, độ dẫn nhiệt, độ nhớt của kim loại nóng.
• Yếu tố môi trường: gió, nhiệt độ, độ ẩm.

Bảng tổng hợp tác động của các yếu tố:

Yếu tố	Tác động đến phun bắn
Hồ quang không ổn định	Tăng phun bắn hạt lớn
Khí bảo vệ sai chuẩn	Kéo lệch hồ quang, tạo phun bắn mịn
Vật liệu oxy hóa	Hình thành màng giòn gây vỡ giọt kim loại

Phân loại các dạng phun bắn

Phun bắn được phân loại dựa trên kích thước, nguồn gốc và tính chất của giọt kim loại. Trong sản xuất công nghiệp, việc phân loại này giúp đánh giá mức độ nghiêm trọng của hiện tượng và lựa chọn biện pháp khắc phục phù hợp. Dạng phun bắn phổ biến nhất là phun bắn hạt lớn (gross spatter), xảy ra khi hồ quang dao động mạnh hoặc điện cực không ổn định, tạo ra các giọt kim loại lớn dễ nhận thấy bằng mắt thường. Nguồn tham khảo: The Welding Institute (TWI).

Phun bắn hạt mịn (fine spatter) thường có kích thước rất nhỏ, phân tán rộng và bám dính mạnh lên bề mặt vật liệu. Dạng phun bắn này khó làm sạch hơn và có thể gây biến đổi vi cấu trúc lớp bề mặt nếu xảy ra ở nhiệt độ cao. Phun bắn do bề mặt oxy hóa xảy ra khi lớp oxit khiến kim loại nóng dễ nứt và bắn ra dưới tác dụng nhiệt, thường gặp trong hàn sắt hoặc thép chưa được làm sạch kỹ.

Danh mục các dạng phun bắn:

• Phun bắn hạt lớn: xuất hiện rõ, dễ thu gom, nhưng gây tổn hại bề mặt.
• Phun bắn hạt mịn: khó kiểm soát, bám dính mạnh, ảnh hưởng thẩm mỹ.
• Phun bắn do hồ quang: gây ra bởi điện áp hoặc dòng điện không ổn định.
• Phun bắn do oxy hóa: phát sinh từ sự phân rã lớp oxit ở nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng của phun bắn đến chất lượng và an toàn

Phun bắn tác động trực tiếp đến chất lượng bề mặt và cấu trúc của sản phẩm. Các hạt kim loại nóng bắn ra có thể để lại vết cháy, điểm rỗ hoặc bám dính tạo thành khuyết tật, ảnh hưởng đến độ bền liên kết trong các mối hàn. Trong các quy trình yêu cầu độ chính xác cao như hàn tự động hoặc gia công cơ khí tinh, phun bắn gây cản trở lớn cho kiểm soát chất lượng và làm tăng chi phí xử lý sau gia công. Nguồn tham khảo: NIOSH – National Institute for Occupational Safety and Health.

Ngoài ảnh hưởng kỹ thuật, phun bắn còn gây nguy hiểm cho người vận hành. Các giọt kim loại nóng có thể gây bỏng, tổn thương mắt hoặc làm cháy các vật liệu dễ bắt lửa. Khi lượng phun bắn quá lớn, khu vực làm việc trở nên khó kiểm soát, tăng rủi ro tai nạn lao động. Các biện pháp bảo hộ như kính chắn, găng tay chịu nhiệt, tấm bảo vệ và quần áo chống cháy đều cần thiết để hạn chế tổn thương do phun bắn.

Danh sách tác động của phun bắn:

• Giảm chất lượng bề mặt và thẩm mỹ sản phẩm.
• Tăng khuyết tật mối hàn và giảm độ bền kết cấu.
• Tăng chi phí vệ sinh và sửa chữa bề mặt.
• Tăng nguy cơ bỏng, cháy nổ và tai nạn lao động.

Các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến phun bắn

Mức độ phun bắn trong quá trình hàn và gia công nhiệt phụ thuộc mạnh mẽ vào các thông số kỹ thuật như dòng điện hàn, điện áp hồ quang, tốc độ cấp dây (đối với hàn MIG/MAG), loại khí bảo vệ, khoảng cách đầu mỏ hàn và đặc tính của điện cực. Dòng điện quá cao khiến giọt kim loại nóng chảy bị đẩy ra khỏi hồ quang với tốc độ lớn, trong khi dòng điện quá thấp lại làm hồ quang không ổn định, cả hai đều dẫn đến tăng phun bắn. Điện áp hồ quang không phù hợp cũng gây dao động hồ quang, làm giọt kim loại tách ra không đều. Nguồn tham khảo: Lincoln Electric – Welding Resources.

Loại khí bảo vệ có vai trò quyết định trong quá trình kiểm soát hồ quang. Khí CO₂ tinh khiết dễ tạo hồ quang không ổn định hơn so với hỗn hợp khí giàu argon, dẫn đến phun bắn nhiều hơn. Khí bảo vệ có tốc độ dòng quá mạnh cũng có thể thổi lệch hồ quang và gây phân tán giọt kim loại. Khoảng cách từ mỏ hàn đến vật hàn quá xa hoặc góc cầm mỏ sai dẫn đến sự phân bố nhiệt không đều, làm giọt kim loại bắn ra theo nhiều hướng khác nhau. Vật liệu bẩn, có dầu, gỉ sét hoặc bị oxy hóa nặng cũng làm tăng phun bắn do tạo lớp cản trở nhiệt và dòng điện.

Phương trình mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế trong quá trình hàn:
$I = \frac{P}{V}$ Trong đó $I$ là dòng hàn, $P$ là công suất hồ quang và $V$ là hiệu điện thế. Khi công suất không đổi mà điện áp thay đổi, dòng hàn cũng thay đổi theo, gây tác động đến độ ổn định hồ quang và mức phun bắn.

Các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng lớn đến phun bắn:

• Dòng điện hàn: quá cao hoặc quá thấp đều gây phun bắn.
• Điện áp hồ quang: ảnh hưởng đến độ ổn định của giọt kim loại.
• Tốc độ cấp dây: dây cấp quá nhanh làm giọt kim loại bắn mạnh.
• Khí bảo vệ: CO₂ tạo phun bắn nhiều hơn so với Ar/CO₂.
• Bề mặt vật liệu: gỉ sét, dầu mỡ và oxit kim loại làm tăng phun bắn.

Các biện pháp giảm thiểu phun bắn

Giảm phun bắn là mục tiêu quan trọng trong kiểm soát chất lượng hàn, nhằm tăng năng suất và giảm chi phí xử lý bề mặt sau hàn. Một trong những biện pháp hiệu quả nhất là tối ưu hóa thông số hàn, đảm bảo dòng điện, điện áp và tốc độ cấp dây phù hợp với vật liệu và phương pháp hàn. Điều chỉnh hồ quang ngắn, ổn định và nhiệt độ thích hợp giúp giảm rung động giọt kim loại và hạn chế sự phân tán vật liệu nóng chảy. Nguồn tham khảo: ESAB – Welding Knowledge Center.

Việc sử dụng khí bảo vệ giàu argon giúp hồ quang ổn định hơn và giảm đáng kể phun bắn so với sử dụng CO₂ tinh khiết. Lựa chọn điện cực phù hợp, có thành phần hóa học ổn định, cũng giúp giảm sự bất ổn của giọt kim loại và hạn chế rung động. Ngoài ra, giữ bề mặt vật hàn sạch giúp giảm tình trạng oxit hóa, tránh hiện tượng điện trở cục bộ gây phun bắn khi giọt kim loại tiếp xúc với khu vực không đồng nhất.

Bên cạnh tối ưu hóa kỹ thuật hàn, các chất chống bám phun bắn (anti-spatter) được sử dụng để hạn chế sự bám dính của giọt kim loại lên bề mặt thiết bị hoặc vật liệu. Các chất này có dạng dung dịch, dạng gel hoặc dạng xịt, thường được áp dụng lên mỏ hàn, đồ gá và khu vực gần đường hàn để giảm thời gian làm sạch. Việc dùng tấm chắn nhiệt hoặc tấm bảo vệ cũng giúp kiểm soát hướng bắn của giọt kim loại, giảm nguy cơ gây hư hỏng các chi tiết xung quanh.

Danh sách các biện pháp giảm phun bắn:

• Điều chỉnh đúng dòng hàn, điện áp và tốc độ cấp dây.
• Chọn khí bảo vệ phù hợp (Ar/CO₂, Ar/O₂).
• Làm sạch bề mặt vật liệu trước khi hàn.
• Dùng chất chống bám phun bắn trên bề mặt và thiết bị.
• Duy trì vị trí và góc cầm mỏ hàn ổn định.

Ứng dụng của hiện tượng phun bắn trong công nghiệp

Mặc dù thường được xem là vấn đề kỹ thuật cần kiểm soát, hiện tượng phun bắn lại được ứng dụng có chủ đích trong một số quy trình công nghiệp, đặc biệt là trong công nghệ phun nhiệt (thermal spraying). Trong quá trình này, kim loại hoặc hợp kim được nung nóng đến trạng thái chảy rồi được phun lên bề mặt vật liệu nền để tạo lớp phủ chống mài mòn, chống oxy hóa hoặc tăng độ cứng. Các hạt kim loại trong quá trình phun nhiệt có đặc tính tương tự như phun bắn nhưng được kiểm soát về tốc độ, kích thước và nhiệt độ. Nguồn tham khảo: ASM International – Thermal Spray Technology.

Trong ngành công nghiệp khuôn mẫu, phun bắn được khai thác trong các kỹ thuật phun phủ tái tạo bề mặt nhằm phục hồi các chi tiết bị mài mòn. Những giọt kim loại nóng được phun có chủ đích giúp tạo lớp phủ bám chắc trên nền vật liệu mà không cần nhiệt độ cao như hàn truyền thống, giảm nguy cơ biến dạng chi tiết. Trong ngành hàng không và năng lượng, phun bắn kiểm soát được sử dụng để sản xuất lớp phủ chịu nhiệt trên cánh tuabin, ống dẫn khí nóng và các chi tiết trong môi trường khắc nghiệt.

Ứng dụng điển hình của phun bắn có kiểm soát:

• Phun nhiệt (thermal spray): phủ kim loại, gốm hoặc hợp kim.
• Phun bột kim loại: chế tạo lớp phủ chống mài mòn.
• Phun phủ phục hồi: tái tạo bề mặt chi tiết công nghiệp.
• Lớp phủ chịu nhiệt: ứng dụng trong tua-bin và động cơ.

Phun bắn trong gia công kim loại bằng năng lượng cao

Trong các quy trình như cắt laser, cắt plasma và gia công bằng tia điện tử, phun bắn thường được xem là chỉ báo quan trọng về hiệu suất năng lượng và chất lượng đường cắt. Khi laser hoặc plasma tác động lên kim loại, phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi rãnh cắt có thể tạo thành phun bắn. Nếu phun bắn quá nhiều, đường cắt sẽ bị xấu, bavia tăng và mép cắt bị cháy xém, cho thấy năng lượng không được tối ưu hoặc tốc độ cắt chưa phù hợp. Nguồn tham khảo: Laserline – Industrial Laser Applications.

Trong cắt plasma, áp suất và tốc độ của luồng khí ion hóa quyết định mức độ phun bắn. Áp suất quá thấp khiến vật liệu không bị thổi bật hoàn toàn khỏi khe cắt, còn áp suất quá cao gây rối loạn dòng plasma và tạo nhiều giọt kim loại văng ra. Trong gia công bằng tia điện tử, phun bắn xảy ra khi năng lượng quá lớn làm vật liệu bốc hơi hoặc nóng chảy đột ngột, tạo ra các hạt kim loại nhỏ bị đẩy ra bởi áp suất hơi.

Một số dấu hiệu đánh giá hiệu suất gia công qua phun bắn:

• Phun bắn nhiều → năng lượng dư thừa hoặc không ổn định.
• Phun bắn ít → quá trình được tối ưu, đường cắt mịn.
• Phun bắn không đều → tốc độ cắt hoặc tiêu cự laser chưa phù hợp.

Ứng dụng mô phỏng và phân tích trong nghiên cứu phun bắn

Kỹ thuật mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cơ chế hình thành phun bắn và tối ưu hóa quy trình hàn. Mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) giúp dự đoán sự chuyển động của giọt kim loại nóng chảy dưới ảnh hưởng của lực điện từ, áp suất khí và trường nhiệt. Mô phỏng hồ quang cho phép phân tích sự phân bố dòng điện và nhiệt độ theo thời gian, từ đó xác định nguyên nhân gây mất ổn định dẫn đến phun bắn. Nguồn: ScienceDirect – Welding Engineering.

Các mô hình tính toán cũng được sử dụng để thiết kế điện cực, tối ưu hóa đường cấp dây và lựa chọn loại khí bảo vệ phù hợp nhằm giảm mức phun bắn trong các quy trình tự động. Việc kết hợp mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm giúp xây dựng mô hình dự đoán chính xác, hỗ trợ doanh nghiệp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì. Ngoài ra, phân tích hình thái giọt kim loại bằng camera tốc độ cao giúp nghiên cứu quá trình tách giọt và bề mặt hồ quang, góp phần cải thiện chất lượng hàn.

Các phương pháp mô phỏng phổ biến:

• CFD – mô phỏng động lực học chất lỏng: mô phỏng dòng chảy kim loại nóng.
• FEM – mô phỏng phần tử hữu hạn: dự đoán phân bố nhiệt và ứng suất.
• Mô phỏng hồ quang: phân tích sự ổn định của hồ quang theo thời gian.
• Camera tốc độ cao: quan sát trực tiếp quá trình phun bắn.

Tài liệu tham khảo

1. Lincoln Electric – Welding Resources. https://www.lincolnelectric.com
2. ESAB – Welding Knowledge Center. https://www.esab.com
3. ASM International – Thermal Spray. https://www.asminternational.org
4. Laserline – Industrial Lasers. https://www.laserline.com
5. ScienceDirect – Welding Engineering. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/welding