Nguyên tắc cơ bản của hàn

Một mối hàn có thể được định nghĩa là sự kết tụ của các kim loại được tạo ra bằng cách nung nóng đến nhiệt độ thích hợp có hoặc không có tác dụng của áp suất và có hoặc không sử dụng vật liệu độn.

Trong hàn nhiệt hạch, nguồn nhiệt tạo ra đủ nhiệt để tạo ra và duy trì một khối kim loại nóng chảy có kích thước yêu cầu. Nhiệt có thể được cung cấp bằng điện hoặc bằng ngọn lửa gas. Hàn điện trở có thể được coi là hàn nhiệt hạch vì một số kim loại nóng chảy được hình thành.

---

Các quy trình pha rắn tạo ra các mối hàn mà không làm nóng chảy vật liệu cơ bản và không cần bổ sung kim loại phụ. Áp suất luôn được sử dụng và nhìn chung một lượng nhiệt được cung cấp. Nhiệt ma sát được phát triển trong liên kết siêu âm và ma sát, và gia nhiệt lò thường được sử dụng trong liên kết khuếch tán.

Hồ quang điện được sử dụng trong hàn là dòng điện cao áp, điện áp thấp thường nằm trong khoảng 10–2.000 ampe ở 10–50 volt. Cột hồ quang rất phức tạp nhưng nói rộng ra, bao gồm một cực âm phát ra electron, một plasma khí để dẫn dòng điện và một vùng cực dương trở nên nóng hơn tương đối so với cực âm do bắn phá điện tử. Thường sử dụng hồ quang dòng điện một chiều (DC), nhưng cũng có thể sử dụng hồ quang dòng điện xoay chiều (AC).

Tổng năng lượng đầu vào trong tất cả các quá trình hàn vượt quá mức cần thiết để tạo ra mối nối, bởi vì không phải tất cả nhiệt sinh ra đều có thể được sử dụng một cách hiệu quả. Hiệu quả thay đổi từ 60 đến 90 phần trăm, tùy thuộc vào quy trình; một số quy trình đặc biệt khác xa với con số này. Nhiệt bị mất do dẫn truyền qua kim loại cơ bản và do bức xạ ra môi trường xung quanh.

Hầu hết các kim loại khi đun nóng đều phản ứng với khí quyển hoặc các kim loại khác ở gần. Những phản ứng này có thể cực kỳ bất lợi cho tính chất của mối hàn. Ví dụ, hầu hết các kim loại đều bị oxy hóa nhanh chóng khi nóng chảy. Một lớp oxit có thể ngăn cản sự liên kết thích hợp của kim loại. Các giọt kim loại nóng chảy được phủ oxit sẽ bị mắc kẹt trong mối hàn và làm cho mối nối trở nên giòn. Một số vật liệu có giá trị được thêm vào để có những đặc tính cụ thể phản ứng nhanh khi tiếp xúc với không khí đến mức kim loại lắng đọng không có thành phần như ban đầu. Những vấn đề này đã dẫn đến việc sử dụng chất trợ dung và môi trường trơ.

Trong hàn nóng chảy, chất trợ dung có vai trò bảo vệ trong việc tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng được kiểm soát của kim loại và sau đó ngăn chặn quá trình oxy hóa bằng cách tạo thành một lớp phủ trên vật liệu nóng chảy. Chất trợ dung có thể hoạt động và trợ giúp trong quá trình này hoặc không hoạt động và chỉ bảo vệ các bề mặt trong quá trình nối.

Khí quyển trơ đóng vai trò bảo vệ tương tự như chất trợ dung. Trong hàn hồ quang kim loại được bảo vệ bằng khí và hàn hồ quang vonfram được bảo vệ bằng khí, khí trơ—thường là argon—chảy từ một hình khuyên bao quanh mỏ hàn theo một dòng liên tục, đẩy không khí ra khỏi xung quanh hồ quang. Khí không phản ứng hóa học với kim loại mà chỉ bảo vệ nó khỏi tiếp xúc với oxy trong không khí.

Việc luyện kim nối kim loại rất quan trọng đối với khả năng hoạt động của khớp. Mối hàn hồ quang minh họa tất cả các tính năng cơ bản của mối nối. Ba vùng được tạo ra từ sự đi qua của hồ quang hàn: (1) kim loại hàn hoặc vùng nóng chảy, (2) vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và (3) vùng không bị ảnh hưởng. Kim loại mối hàn là phần mối hàn bị nóng chảy trong quá trình hàn. Vùng ảnh hưởng nhiệt là vùng tiếp giáp với kim loại mối hàn chưa được hàn nhưng đã bị thay đổi vi cấu trúc hoặc tính chất cơ học do nhiệt hàn. Vật liệu không bị ảnh hưởng là vật liệu không được nung nóng đủ để làm thay đổi tính chất của nó.

Thành phần kim loại mối hàn và các điều kiện mà nó đóng băng (đóng rắn) ảnh hưởng đáng kể đến khả năng đáp ứng các yêu cầu sử dụng của mối hàn. Trong hàn hồ quang, kim loại mối hàn bao gồm vật liệu độn cộng với kim loại cơ bản đã nóng chảy. Sau khi hồ quang đi qua, kim loại mối hàn nguội nhanh. Mối hàn một lần có cấu trúc đúc với các thớ dạng cột kéo dài từ mép của vũng nóng chảy đến tâm mối hàn. Trong mối hàn nhiều lớp, cấu trúc đúc này có thể được sửa đổi, tùy thuộc vào kim loại cụ thể được hàn.

Kim loại cơ bản tiếp giáp với mối hàn hoặc vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt phải chịu một loạt các chu kỳ nhiệt độ và sự thay đổi cấu trúc của nó liên quan trực tiếp đến nhiệt độ cao nhất tại bất kỳ điểm nào, thời gian tiếp xúc và tốc độ làm mát. Các loại kim loại cơ bản có quá nhiều để thảo luận ở đây, nhưng chúng có thể được nhóm thành ba loại: (1) vật liệu không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hàn, (2) vật liệu được làm cứng do thay đổi cấu trúc, (3) vật liệu được làm cứng bằng quá trình kết tủa.

Hàn tạo ra ứng suất trong vật liệu. Các lực này được tạo ra bởi sự co lại của kim loại mối hàn và bởi sự giãn nở rồi co lại của vùng chịu ảnh hưởng nhiệt. Kim loại không được nung nóng sẽ hạn chế những điều trên và khi sự co lại chiếm ưu thế, kim loại mối hàn không thể co lại tự do và ứng suất sẽ tích tụ trong mối nối. Điều này thường được gọi là ứng suất dư và đối với một số ứng dụng quan trọng phải được loại bỏ bằng cách xử lý nhiệt toàn bộ quá trình chế tạo. Ứng suất dư là không thể tránh khỏi trong tất cả các kết cấu hàn, và nếu không được kiểm soát thì mối hàn sẽ bị cong hoặc biến dạng. Việc kiểm soát được thực hiện bằng kỹ thuật hàn, đồ gá lắp và đồ đạc, quy trình chế tạo và xử lý nhiệt cuối cùng.