Sự khác biệt giữa hàn nhôm và hàn các kim loại khác

Nhôm – hay aluminium, tùy theo cách gọi ở từng quốc gia – là một vật liệu phổ biến trong ngành gia công hiện đại. Nhôm nhẹ, chống ăn mòn và có vẻ ngoài bắt mắt. Tuy nhiên, khi hàn, kim loại không chứa sắt này lại mang đến những thách thức rất đặc thù. Sự kết hợp giữa độ dẫn nhiệt cao, sự hình thành lớp oxit và việc không có tín hiệu đổi màu khi nung khiến cho nhôm khó xử lý hơn nhiều so với các kim loại thông thường.

Nhiều thợ hàn quen làm việc với thép hoặc thép không gỉ thường bất ngờ vì nhôm phản ứng rất khác khi hàn. Không giống như thép, hàn nhôm đòi hỏi sự tinh tế, kiểm soát tốt và hiểu rõ hành vi của vật liệu dưới nhiệt độ cao để đảm bảo mối hàn không bị lỗi. Việc sử dụng máy hàn tự động (welding tractor) sẽ giúp đảm bảo kết quả nhất quán, đặc biệt với các mối hàn dài hoặc lặp lại.

Ngành công nghiệp sử dụng hàn nhôm

Nhôm là vật liệu nhẹ và bền, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp cần tỷ lệ độ bền-trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn như:

• Rơ-moóc ô tô và thân xe tải

• Sản xuất toa xe lửa và đầu máy

• Đóng tàu và kết cấu hàng hải

• Kiến trúc và trang trí

• Linh kiện hàng không, vũ trụ

• Khung máy công nghiệp và vỏ máy

• Bộ trao đổi nhiệt và hệ thống ống dẫn

Đặc điểm riêng biệt của nhôm

Trước khi hàn, bề mặt nhôm cần được làm sạch kỹ lưỡng. Vì sao? Vì nhôm có xu hướng hình thành lớp oxit tự nhiên, dễ gây ra lỗi hàn như cong vênh và rỗ khí. Ngoài ra, dầu, bụi bẩn, không khí và các tạp chất khác cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến vùng hàn, làm giảm độ bền và tính thẩm mỹ của mối hàn.

So sánh nhanh giữa nhôm – thép cacbon – thép không gỉ:

• Lớp oxit:
  Nhôm bị oxy hóa nhanh khi tiếp xúc với không khí, tạo ra lớp oxit mỏng có nhiệt độ nóng chảy rất cao (2072°C), trong khi nhôm nguyên chất chỉ có nhiệt độ nóng chảy khoảng 660°C. Hàn xuyên qua lớp oxit này dễ làm thủng vật liệu. Vì vậy, cần xử lý bề mặt bằng dung môi thích hợp.

• Tính xốp:
  Khi ở trạng thái nóng chảy, nhôm hấp thụ nhiều hydro, tạo ra các bọt khí li ti trong kim loại hàn, làm suy yếu cấu trúc. Để hạn chế điều này, cần sử dụng vật liệu và thiết bị sạch, loại bỏ dầu mỡ và sử dụng khí bảo vệ hiệu quả.

• Độ dẫn nhiệt cao:
  Nhôm dẫn nhiệt rất tốt (~235 W/m·K), gấp 4–5 lần so với thép (~50 W/m·K). Khi hàn, nhiệt lan nhanh khắp bề mặt và khối vật liệu, khiến khó duy trì vùng nhiệt tập trung, đặc biệt với vật liệu mỏng.

  Máy hàn tự động giúp duy trì tốc độ hàn ổn định – điều mà thao tác bằng tay khó đạt được – nhằm tránh hiện tượng thiếu ngấu hoặc cháy thủng.

• Nhiệt độ nóng chảy thấp:
  Nhôm có nhiệt độ nóng chảy khoảng 660°C, thấp hơn nhiều so với thép (~1370–1500°C) và đồng (~1085°C). Sự kết hợp giữa nhiệt độ nóng chảy thấp và độ dẫn nhiệt cao khiến nhôm dễ bị quá nhiệt hoặc cháy thủng nếu không kiểm soát tốt.

• Nứt nóng (Hot Cracking):
  Nhôm dễ bị nứt nóng do ứng suất nhiệt cao trong quá trình đông đặc mối hàn. Ngoài ra, lớp oxit có nhiệt độ nóng chảy rất cao (~2050°C), càng làm phức tạp thêm việc hàn. Giải pháp là làm sạch kỹ bề mặt trước khi hàn.

• Không đổi màu khi nung:
  Khác với thép, nhôm không thay đổi màu sắc khi nung, nên không có tín hiệu trực quan nào cho thấy kim loại đang quá nhiệt.

• Bảo quản:
  Nhôm là kim loại mềm, nên cần được bảo quản trong nhà, nơi khô ráo, ở nhiệt độ phòng. Các tấm nhôm không nên xếp chồng mà nên dựng đứng để tránh cong vênh hoặc trầy xước. Bảo quản đúng cách, thiết bị sạch và chuẩn bị bề mặt tốt là các yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng hàn.

Phương pháp hàn nhôm

Hai phương pháp phổ biến nhất để hàn nhôm là TIG và MIG. Do độ dẫn nhiệt cao, nhiệt lượng được dẫn truyền đi rất nhanh khỏi vùng hàn, nên cần nhiều năng lượng hơn để đạt và duy trì nhiệt độ nóng chảy (~660°C).

• Hàn TIG (GTAW):
  Cho phép kiểm soát chính xác, chất lượng mối hàn cao. Phù hợp với cả vật liệu mỏng và dày.

• Hàn MIG (GMAW):
  Hiệu quả hơn với các tấm nhôm dày vì đầu vào nhiệt cao hơn TIG. Tốc độ hàn nhanh hơn nhờ hệ thống cấp dây cơ khí. Sử dụng khí bảo vệ để ngăn nhiễm bẩn.

• Khí bảo vệ kép (khi cần):
  Nhôm phản ứng mạnh khi ở nhiệt độ cao, nên việc che chắn bằng khí rất quan trọng. Ngoài argon (chuẩn), có thể dùng hỗn hợp heli hoặc hệ thống khí kép, tích hợp cốc khí phụ để tăng vùng phủ khí, nhất là khi hồ quang lớn.

  Các thiết bị hàn tự động có thể tích hợp:

  • Cốc khí bổ sung hoặc đầu tạo hình khí

  • Hệ thống khí kép cho hồ quang rộng

  • Tích hợp điều chỉnh lưu lượng khí

Chọn dây hàn phù hợp

Hợp kim nhôm rất đa dạng, không phải loại dây nào cũng tương thích. Các dây phổ biến:

• AlSi5 (ER4045)

• AlMg4.5Mn (ER5183)
  Lựa chọn dây hàn dựa trên hợp kim cơ bản và yêu cầu cơ tính. Dùng sai dây có thể gây nứt hoặc ăn mòn mối hàn.

Lợi ích của máy hàn tự động đối với nhôm

Hàn nhôm không chỉ đòi hỏi tay nghề, mà còn cần khả năng kiểm soát cao. Máy hàn tự động mang lại sự nhất quán và giảm mệt mỏi cho người vận hành.

Máy hàn tự động giúp cải thiện hiệu quả hàn nhôm nhờ:

• Kiểm soát tốc độ di chuyển linh hoạt

• Cơ cấu trượt mỏ hàn để điều chỉnh chính xác

• Tương thích với các thiết bị hàn TIG hoặc MIG chuyên dụng cho nhôm

• Hệ thống hút chân không vì nhôm là kim loại không chứa sắt

Tốc độ di chuyển chính xác

Nhôm yêu cầu tốc độ di chuyển ổn định và mượt. Bất kỳ sự thay đổi nào cũng có thể gây lỗi bề mặt hoặc suy yếu mối hàn. Máy hàn tự động đảm bảo di chuyển đều, điều mà thao tác thủ công khó thực hiện.

Định vị mỏ hàn chính xác

Hồ quang nhôm phản chiếu và loãng hơn thép, nên góc độ và khoảng cách sai lệch dễ gây lỗi. Giá đỡ mỏ hàn chính xác giúp kiểm soát tốt vùng hồ quang và giảm diện tích vùng ảnh hưởng nhiệt.

Nguồn điện phù hợp

Để kiểm soát nhiệt tốt và duy trì năng lượng ổn định, máy hàn cần kết hợp với nguồn điện phù hợp – thường là MIG xung hoặc TIG công suất cao. Các thiết bị thiết kế cho thép có thể không đáp ứng được yêu cầu hàn nhôm.

Trong sản xuất hàng loạt – như rơ-moóc, bồn chứa hoặc kết cấu hàng hải bằng nhôm – sự lặp lại chính xác là yếu tố quyết định. Máy hàn tự động giúp duy trì sự nhất quán, tránh quá nhiệt và mang lại kết quả không lỗi.