HOA KỲ – Trong thời gian qua, các nhà máy gia công cơ khí đã quen thuộc và phụ thuộc vào các phương pháp hàn truyền thống như hàn hồ quang tay (hàn que), hàn MIG và hàn TIG. Ngoài một vài cải tiến về hiệu suất nguồn điện và năng suất, ngành công nghiệp này từng có giai đoạn phát triển chậm trong việc đưa ra các công nghệ mới mang tính ứng dụng rộng rãi do yêu cầu về bằng sáng chế hoặc các rào cản khác. Tuy nhiên, một số bằng sáng chế hiện nay đã hết hạn, mở đường cho một làn sóng đổi mới mạnh mẽ, thúc đẩy kỹ thuật hàn nhôm phát triển.
Hàn ở trạng thái dẻo Hàn ma sát khuấy (friction stir welding – FSW) (*), từng bị các rào cản bản quyền làm cho việc triển khai chậm lại. Trong vài năm qua, các bằng sáng chế này đã hết hạn, cho phép các doanh nghiệp cải tiến những nhược điểm trước đây, giúp công nghệ này được áp dụng rộng rãi hơn. (*) Friction stir welding: Đây là một công nghệ hàn trạng thái rắn (solid-state welding), vật liệu hàn không bị nóng chảy hoàn toàn như các phương pháp hàn truyền thống (hàn que, MIG, TIG), mà chỉ được làm mềm ở trạng thái dẻo (plastic state) nhờ nhiệt ma sát, sau đó được liên kết lại với nhau.
Hàn FSW không như các phương pháp hàn nóng chảy khác. Thay vì làm nóng chảy vũng hàn bằng hồ quang điện, nó sử dụng nhiệt lượng sinh ra từ một dụng cụ quay (mũi khuấy) để đưa vật liệu đạt đến trạng thái gần nóng chảy (hoặc trạng thái dẻo), sau đó vật liệu được hòa trộn lại với nhau. Vì vật liệu cơ bản không trải qua quá trình chuyển từ rắn sang lỏng, phương pháp này hiệu quả đối với các vật liệu chuyên dụng như nhôm sê-ri 2XXX và 7XXX, vốn được xem là vật liệu không thể tạo ra một mối hàn đảm bảo chất lượng bằng các phương pháp hàn nóng chảy (như hàn MIG, TIG).
Ban đầu, quy trình hàn FSW sử dụng một đầu máy lớn như máy phay để đẩy mũi khuấy ma sát đi qua vật liệu cơ bản theo đường thẳng. Ban đầu, phương pháp này bị giới hạn trên các tấm kim loại phẳng do yêu cầu hệ thống đồ gá và bệ đỡ nặng nhằm giữ cố định. Hiện nay, hệ thống hàn FSW cải tiến đã sử dụng một tấm đệm đỡ được gắn trực tiếp vào công cụ quay thay vì các đồ gá cồng kềnh, cho phép dễ dàng triển khai công nghệ hàn FSW trên các phôi có dạng hình học phức tạp như bề mặt cong và dạng mái vòm.
Công nghệ hàn ma sát khuấy chồng lớp Bước đột là công nghệ hàn ma sát khuấy chồng lớp (additive FSW). Quy trình này sử dụng vật liệu thanh gia công tinh được đẩy xuống qua tâm của dụng cụ quay để in các thành phần kim loại. Giống như quy trình hàn FSW tiêu chuẩn, quy trình này đã chứng minh hiệu quả trên các hợp kim mà trước đây không hàn được, đồng thời mang lại cơ tính vật liệu tốt hơn. Ví dụ, thay vì chế tạo một khuôn riêng để rèn một chi tiết, hiện nay đã có thể tạo ra các chi tiết đó với hình dáng gần hoàn chỉnh (near-net shape) bằng công nghệ additive FSW, sau đó chỉ cần gia công cơ khí các biên dạng hoàn thiện quan trọng. Điều này đã được chứng minh giúp giảm chi phí lẫn thời gian (nhiều tháng hoặc nhiều năm), khiến công nghệ additive FSW trở nên phù hợp với các chi tiết có khối lượng sản xuất nhỏ hoặc độ phức tạp cao, vì thời gian chờ chế tạo đồ gá truyền thống là khó thực hiện.
Độ chính xác vượt trội Một quy trình hàn khác đã phát triển nhanh chóng trong 5 năm qua là hàn laser cầm tay. Thay vì sử dụng hồ quang điện, phương pháp này truyền năng lượng vào vũng hàn dưới dạng ánh sáng tập trung. Tương tự như việc dùng kính lúp để hội tụ ánh sáng mặt trời vào một điểm có mật độ cao, hàn laser sử dụng các thấu kính để hội tụ ánh sáng tạo ra lên bề mặt kim loại.
Mặc dù quy trình hàn này có thể thực hiện theo phương pháp hàn tự chảy, không dùng dây hàn bổ sung, hoặc có bộ cấp dây, quy trình này diễn ra tự động vì bộ cấp dây đóng vai trò như một hệ thống truyền động đẩy mỏ hàn đi dọc theo mối hàn. Hiện nay, những thợ hàn mới vào nghề có thể tạo ra mối hàn chất lượng cao, giúp giải phóng lực lượng nhân sự có tay nghề cao cho các dự án phức tạp hơn.
Với mật độ năng lượng cao hơn gấp 1.000 lần so với hàn MIG hoặc TIG, quy trình này mang lại tiềm năng cho các mối nối phức tạp trước đây, như hàn vật liệu mỏng với vật liệu dày. Do vùng sinh nhiệt được khu trú ở phạm vi nhỏ, các công việc này giờ đây đã trở nên đơn giản mà không làm thủng ở phần chi tiết mỏng hơn.
Một lợi ích khác là tốc độ của quy trình. Hầu hết các công việc hàn TIG được thực hiện với tốc độ từ 4 đến 6 IPM (inch/phút). Quy trình hàn laser cầm tay thường được sử dụng ở tốc độ 15 đến 20 IPM, ở một số doanh nghiệp có thể đạt hơn 35 IPM. Khi hàn tấm dày 12,7mm vào tấm mỏng 0,95mm (20-ga) trước đây mất một giờ để hoàn thành, nay được giảm xuống chỉ còn hai phút với máy laser cầm tay.
Sự kết hợp giữa tốc độ dịch chuyển nhanh và lượng nhiệt đầu vào giảm đã mang lại tác động rõ rệt đối với biến dạng chi tiết. Việc các doanh nghiệp giảm hoặc loại bỏ các công việc xử lý hậu kỳ sau khi hàn đã trở nên phổ biến. Một nhà máy thông báo rằng thời gian nắn thẳng và hoàn thiện sau khi hàn của họ đã giảm từ hai ngày xuống chỉ còn hai giờ.
An toàn trong quy trình hàn Mặc dù laser cầm tay mang lại nhiều lợi ích, các nhà máy sản xuất cơ khí cần đảm bảo việc triển khai chúng một cách an toàn. Tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn ANSI Z136.1 về sử dụng an toàn laser quy định các doanh nghiệp cần có một nhân viên an toàn laser trong biên chế và thiết bị phải có đầy đủ các tính năng an toàn tối thiểu. Các tính năng này bao gồm nút dừng khẩn cấp, phương pháp ngăn chặn việc sử dụng trái phép và khả năng kết nối khóa liên động (interlocks) vào khu vực hoặc buồng hàn để thiết lập một vùng kiểm soát laser an toàn.
Rào cản đối với kỹ thuật hàn Do cả hai quy trình hàn laser cầm tay và hàn FSW đều đang ở giai đoạn đầu triển khai, ngành hàn vẫn chưa có lượng lớn sách hướng dẫn. Điều này đồng nghĩa với việc các doanh nghiệp cần tự thực hiện quá trình nghiên cứu phát triển của riêng mình hoặc phụ thuộc vào các nhà sản xuất thiết bị để được cung cấp các thông số công nghệ phù hợp.
Để xem các tin bài khác về “Hàn nhôm”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: The Fabricator
