Trong quá trình hàn kim loại, đôi khi thợ hàn đã tuân thủ chính xác quy trình hàn, nhưng chất lượng mối hàn vẫn không đạt yêu cầu. Độ ngấu (1) không ổn định, xuất hiện rỗ khí và hồ quang hoạt động thất thường chỉ là một số trong những vấn đề có thể xảy ra.
(1) Độ ngấu (weld penetration) là mức độ mà kim loại mối hàn nóng chảy và ăn sâu vào kim loại cơ bản trong quá trình hàn. Có thể hiểu đơn giản, độ ngấu cho biết mối hàn đã nóng chảy sâu đến đâu vào vật liệu cần liên kết.

Trong nhiều trường hợp, những chi tiết tưởng chừng nhỏ trong quá trình hàn lại có ảnh hưởng lớn hơn nhiều so với dự kiến, và khoảng cách từ đầu tiếp điện đến vật hàn (CTWD – Contact-Tip-to-Work Distance) là một trong số đó. CTWD là một biến số thường bị bỏ qua nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng mối hàn.

CTWD là gì?
CTWD (Contact-Tip-to-Work Distance) là khoảng cách từ điểm tiếp xúc điện cuối cùng đến vật hàn, thông thường chính là khoảng cách từ đầu tiếp điện đến bề mặt vật hàn.

CTWD bao gồm chiều dài phần dây điện cực nhô ra (Electrode Stickout – ESO) và chiều dài hồ quang, tức khoảng cách giữa đầu dây hàn và vũng hàn.

Trong các quá trình hàn cấp dây sử dụng nguồn điện áp không đổi, chẳng hạn như hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ GMAW (Gas Metal Arc Welding) và hàn hồ quang dây lõi thuốc FCAW (Flux-Cored Arc Welding), chiều dài hồ quang được kiểm soát tự động thông qua giá trị điện áp được thiết lập trên nguồn hàn.

Ngay cả khi không thay đổi các thông số cài đặt, thợ hàn vẫn có thể dễ dàng làm thay đổi CTWD bằng cách tăng hoặc giảm ESO, hoặc đơn giản là đưa mỏ hàn ra xa hay lại gần vật hàn.

CTWD là khoảng cách từ đầu tiếp điện (Contact Tip) đến bề mặt vật hàn (Workpiece). Khoảng cách này gồm hai thành phần chính: phần dây điện cực nhô ra khỏi đầu tiếp điện (Electrical Stickout – ESO) và chiều dài hồ quang (Arc Length).

Vì sao ESO ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn?
Tại sao việc thay đổi ESO lại có thể tác động mạnh đến chất lượng mối hàn như vậy?

Trong quá trình hàn, dây hàn đóng vai trò dẫn dòng điện, và tất cả các vật liệu dẫn điện đều có một mức điện trở nhất định. Điện trở khiến dây hàn nóng lên khi dòng điện chạy qua, qua đó làm nóng sơ bộ dây trước khi dây đi vào hồ quang hàn.

Cần lưu ý rằng dây FCAW có cấu tạo dạng ống có điện trở cao hơn đáng kể. Vì vậy, loại dây này nhạy cảm hơn với những thay đổi của CTWD so với dây GMAW có kích thước tương đương.

Ảnh hưởng của CTWD đến quá trình hàn
Khi tất cả các thông số khác được giữ nguyên, CTWD có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể đối với độ ngấu của mối hàn.

Nguồn điện áp không đổi duy trì điện áp hàn – và do đó duy trì chiều dài hồ quang, ở mức ổn định, nhưng dòng điện hàn lại được quyết định bởi tốc độ cấp dây và CTWD.

Khi tăng ESO, mức gia nhiệt do điện trở của điện cực cũng tăng lên, khiến dây hàn nóng chảy nhanh hơn và tạo ra tốc độ đắp kim loại cao hơn. Tuy nhiên, nguồn hàn sẽ tự động giảm dòng điện để duy trì điện áp không đổi.

Ngược lại, khi giảm ESO, nguồn hàn sẽ tăng dòng điện để làm dây nóng chảy nhanh hơn và duy trì chiều dài hồ quang – tức điện áp, ở mức yêu cầu.

CTWD và khả năng kiểm soát độ ngấu
CTWD là một biến số có giá trị trong việc tối ưu hóa quá trình hàn.

Khi tốc độ cấp dây được giữ không đổi, CTWD ngắn hơn sẽ làm tăng độ ngấu. Ngược lại, CTWD dài hơn tạo ra hồ quang “mềm” hơn và dễ kiểm soát hơn, phù hợp với các chi tiết mỏng hoặc khi thực hiện hàn ở các tư thế ngoài vị trí bằng.

Điều này cho thấy CTWD không chỉ đơn thuần là khoảng cách hình học giữa mỏ hàn và vật hàn, mà còn trực tiếp tác động đến đặc tính điện, tốc độ nóng chảy của dây và khả năng hình thành mối hàn.

Những vấn đề khi CTWD quá lớn
CTWD quá lớn có thể gây ra nhiều vấn đề cho thợ hàn.

Trước hết, nếu dây điện cực không hoàn toàn thẳng, dây có thể dao động và lệch vị trí trong hồ quang, khiến đường hàn không ổn định và có khả năng ảnh hưởng đến mức độ nóng chảy liên kết giữa kim loại hàn và kim loại cơ bản.

Bên cạnh đó, khi khí bảo vệ thoát ra khỏi chụp khí, nó hình thành một vùng bảo vệ dạng hình nón bao quanh điện cực, hồ quang và vũng hàn.

Khi CTWD trở nên quá lớn, vùng khí bảo vệ này dễ bị phân tán hơn, dẫn đến khả năng che phủ của khí không đầy đủ. Hệ quả có thể là xuất hiện rỗ khí, nhiễm bẩn và oxy hóa bề mặt mối hàn.

Các giá trị CTWD điển hình
Đối với phương pháp hàn GMAW, CTWD điển hình có thể nằm trong khoảng từ 3/8 đến 3/4 inch, tương đương khoảng 9,5 đến 19 mm.

Đối với phương pháp hàn FCAW, CTWD thường nằm trong khoảng từ 3/4 đến 1,5 inch, tương đương khoảng 19 đến 38 mm.

Các giá trị điển hình này chỉ nên được xem là giá trị tham khảo. CTWD thực tế còn phụ thuộc vào từng ứng dụng, khuyến nghị của nhà sản xuất dây hàn và các quy trình hàn đã được phê duyệt. Những giá trị này có thể và nên được tối ưu hóa cho từng điều kiện cụ thể.

Giải pháp cho các ứng dụng yêu cầu CTWD rất dài
Hiện nay có các loại vật liệu hàn, chụp khí và đầu tiếp điện chuyên dụng dành cho những ứng dụng yêu cầu CTWD rất dài.

Một trong những giải pháp là sử dụng đầu tiếp điện có phần nối dài bằng gốm, giúp đưa điểm tiếp xúc điện cuối cùng ra xa vật hàn hơn. Nhờ đó, đơn vị gia công có thể tận dụng lợi ích của tốc độ đắp kim loại cao hơn, đồng thời giảm thiểu các vấn đề như dây hàn dao động, lệch hướng và hiện tượng rỗ khí.

CTWD trong quy trình và đào tạo thợ hàn

Do CTWD được quy định là một biến số thiết yếu hoặc biến số thiết yếu bổ sung trong nhiều bộ tiêu chuẩn và quy phạm hàn, các giám sát viên hàn nên đưa những kiến thức cơ bản về tầm quan trọng của thông số này vào chương trình đào tạo thợ hàn mới.

Việc hiểu rõ CTWD giúp người thợ nhận biết rằng chất lượng mối hàn không chỉ phụ thuộc vào những thông số được thiết lập trên máy hàn mà còn phụ thuộc đáng kể vào cách duy trì vị trí và khoảng cách của mỏ hàn trong suốt quá trình thao tác.

Từ tuân thủ quy trình đến làm chủ kỹ thuật hàn
Quay trở lại tình huống ban đầu, khi người thợ gặp những vấn đề khó lý giải về chất lượng mối hàn, giải pháp thực tế không nằm ở việc điều chỉnh các thông số của máy hàn mà nằm ở kỹ thuật thao tác.

Điều chỉnh CTWD phù hợp với từng ứng dụng là điều mà những thợ hàn giàu kinh nghiệm thường thực hiện gần như theo trực giác. Tuy nhiên, hiểu được tại sao việc điều chỉnh này có hiệu quả chính là yếu tố tạo nên sự khác biệt giữa một người biết hàn và một người thực sự làm chủ kỹ thuật hàn.

Những thợ hàn giỏi nhất không chỉ đơn thuần tuân thủ quy trình kỹ thuật hàn – mà còn hiểu rõ bản chất của quy trình đó.

Để xem các tin bài khác về “Hàn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Canadian Metalworking