Hàn inox là gì?
Hàn inox (stainless steel welding) là quy trình gia công nhiệt nối liền hai hay nhiều chi tiết thép không gỉ bằng cách làm chảy kim loại tại vùng mối nối (với hoặc không có kim loại phụ), tạo liên kết luyện kim sau khi đông đặc. Hàn inox phức tạp hơn hàn thép carbon do: (1) hệ số giãn nở nhiệt cao hơn thép carbon (inox austenitic α ≈ 17×10⁻⁶/°C so với thép: 12×10⁻⁶/°C) gây biến dạng nhiệt lớn; (2) độ dẫn nhiệt thấp hơn (inox 304: 16 W/m·K so với thép carbon: 50 W/m·K) làm nhiệt tập trung tại vùng hàn; (3) nguy cơ sensitization (nhạy cảm hóa) làm giảm kháng ăn mòn nếu kiểm soát nhiệt không đúng.
Phương pháp hàn TIG (GTAW) — tiêu chuẩn cho inox
TIG (Tungsten Inert Gas) hay GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) là phương pháp hàn hồ quang dùng điện cực tungsten không nóng chảy, hồ quang hình thành giữa điện cực W và chi tiết hàn, kim loại phụ (que hàn) đưa vào tay bằng que hoặc dây cuộn (orbital welding). Khí bảo vệ trơ bao phủ toàn bộ vùng hàn và điện cực ngăn oxy hóa. TIG là phương pháp được chọn ưu tiên cho hàn inox vì: điều khiển nhiệt đầu vào chính xác, mối hàn đẹp không xỉ, phù hợp vật liệu mỏng (1–8 mm), chất lượng cao nhất trong các phương pháp hàn điện.
Thông số kỹ thuật hàn TIG inox
- Điện cực tungsten: Đầu nhọn W nguyên chất (EWP) hoặc W pha thorium (EWTh-2) hoặc W pha ceriated (EWCe-2); đường kính 1.6–4.0 mm tùy dòng điện; đầu điện cực mài nhọn cho dòng DC–.
- Cực tính: DCEN (Direct Current Electrode Negative — dương ở chi tiết, âm ở điện cực); hồ quang ổn định, thâm nhập tốt; không dùng AC hay DCEP cho hàn TIG inox.
- Dòng điện: 50–200A tùy chiều dày; tốc độ di chuyển mỏ hàn kiểm soát nhiệt đầu vào (heat input = V×I/v, kJ/mm).
- Khí bảo vệ: Argon (Ar) 99.99% là tiêu chuẩn; Ar+2%N₂ cho inox duplex và austenitic tăng độ bền mối hàn; Ar+He tăng thâm nhập và tốc độ hàn; không dùng CO₂ hay O₂ cho hàn TIG inox.
- Lưu lượng khí: 8–15 L/phút tùy kích thước chụp khí (cup) và môi trường gió.
- Backing gas: Ar 100% purge mặt sau mối hàn để ngăn oxy hóa và tạo màu nhiệt (heat tint) ở mặt chân; quan trọng với ống và bồn chứa thực phẩm/y tế.
Que hàn (filler metal) cho inox
Lựa chọn que hàn phải đảm bảo thành phần hóa học tương thích với kim loại nền và tính năng mối hàn yêu cầu. Nguyên tắc chung: que hàn có thành phần hóa học tương đương hoặc cao hơn kim loại nền về kháng ăn mòn; mác “L” (low carbon) bắt buộc khi yêu cầu kháng sensitization.
Que hàn phổ biến theo tiêu chuẩn AWS A5.9
- ER308/ER308L: Dùng cho hàn inox 304 và 304L; thành phần Cr18-Ni10; mác L (≤ 0.03% C) bắt buộc cho ứng dụng ăn mòn sau hàn không xử lý nhiệt. ER308Si có thêm Si tăng tính chảy loãng và bề mặt mối hàn đẹp hơn.
- ER316/ER316L: Dùng cho hàn inox 316 và 316L; thêm Mo 2–3% tăng kháng pitting trong môi trường clorua; ER316L (≤ 0.03% C) bắt buộc cho môi trường biển và hóa chất.
- ER309/ER309L: Hàn dị kim loại inox 304/316 với thép carbon hoặc thép hợp kim thấp; Cr23-Ni13 bù trừ pha loãng (dilution) từ thép carbon.
- ER347: Dùng cho inox ổn định Nb (321, 347) ở nhiệt độ cao (> 427°C); Nb ổn định hóa ngăn sensitization.
- ER2209: Dùng cho inox duplex 2205; thành phần Cr22-Ni9-Mo3-N0.15; tạo cân bằng pha austenite/ferrite trong mối hàn.
Nguy cơ sensitization — vấn đề trọng tâm hàn inox
Sensitization (nhạy cảm hóa) là hiện tượng carbon trong inox austenitic kết tủa thành Cr₂₃C₆ tại ranh giới hạt khi kim loại ở vùng nhiệt độ 425–850°C trong thời gian đủ dài. Kết tủa Cr₂₃C₆ làm nghèo Cr vùng ranh giới hạt xuống dưới 11%, mất lớp thụ động Cr₂O₃ — inox trở nên dễ bị ăn mòn theo ranh giới hạt (intergranular corrosion, IGC). Biện pháp ngăn sensitization:
- Dùng mác L (≤ 0.03% C): 304L, 316L, que hàn ER308L, ER316L — ít C hơn ít Cr₂₃C₆ hơn.
- Dùng mác ổn định Ti hoặc Nb: 321 (Ti ổn định), 347 (Nb ổn định) — Ti và Nb kết tủa cacbua ưu tiên (TiC, NbC), giữ Cr trong dung dịch rắn.
- Kiểm soát nhiệt độ inter-pass: ≤ 150°C cho inox austenitic; đo bằng nhiệt kế tiếp xúc hoặc thước chalk temperature indicator trước mỗi đường hàn tiếp theo.
- Giảm heat input: Di chuyển mỏ hàn nhanh hơn (tăng tốc độ hàn), giảm dòng điện; hàn gián đoạn cho các mối hàn dài.
- Solution annealing sau hàn: Ủ 1050–1100°C rồi tôi nước nhanh hòa tan hoàn toàn Cr₂₃C₆ và tái tạo dung dịch rắn đồng nhất — áp dụng khi chi tiết có thể đưa vào lò.
Kiểm soát màu nhiệt (heat tint) sau hàn inox
Màu nhiệt (temper color) hình thành tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) do oxit Cr dày lên theo nhiệt độ: vàng rơm (300–400°C) → xanh bầu (500–600°C) → xanh lam đậm (700°C+) → xám/đen (> 800°C). Màu nhiệt xanh và đen cho thấy lớp thụ động Cr₂O₃ bị ô nhiễm — phải loại bỏ bằng pickling paste (HF+HNO₃) hoặc cọ chải điện (electrochemical cleaning) trước khi passivation.
Các phương pháp hàn khác cho inox
| Phương pháp | Ký hiệu AWS | Ưu điểm | Hạn chế | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|---|
| TIG / GTAW | GTAW | Mối hàn đẹp, chính xác, vật liệu mỏng | Chậm, cần thợ tay nghề cao | Ống, bồn, kết cấu mỏng, thực phẩm/y tế |
| MIG / GMAW | GMAW | Nhanh hơn TIG, bán tự động | Mối hàn kém đẹp hơn TIG, bắn tia nhiều hơn | Kết cấu thép không gỉ dày, sản xuất hàng loạt |
| SMAW (que hàn que) | SMAW | Linh hoạt, thi công ngoài trời | Chất lượng thấp hơn TIG, cần làm sạch xỉ | Sửa chữa, hàn ngoài công trường |
| SAW (hàn dưới thuốc) | SAW | Rất nhanh, mối hàn sâu, tự động | Chỉ vị trí hàn nằm; heat input cao → sensitization | Bình áp lực, bồn chứa lớn, thép tấm dày |
| Laser welding | LBW | Heat input cực thấp, biến dạng tối thiểu | Đắt, đòi hỏi trang bị cao cấp | Thiết bị y tế, điện tử, chi tiết chính xác |
| Plasma (PAW) | PAW | Thâm nhập sâu, keyhole welding | Phức tạp hơn TIG, đắt hơn | Ống mỏng tự động, hàn quỹ đạo (orbital) |
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao phải dùng que hàn ER308L thay vì ER308 thông thường?
- ER308L có carbon ≤ 0.03% thay vì ≤ 0.08% của ER308; hàm lượng C thấp giảm đáng kể nguy cơ kết tủa Cr₂₃C₆ (sensitization) trong vùng ảnh hưởng nhiệt, quan trọng khi mối hàn tiếp xúc môi trường ăn mòn sau hàn không có xử lý nhiệt.
- Có thể hàn MIG thay TIG cho inox không?
- Có, MIG (GMAW) nhanh hơn TIG và dùng cho inox dày hoặc sản xuất hàng loạt; nhưng MIG pulse (P-GMAW) cần thiết để giảm bắn tia và kiểm soát heat input tốt hơn MIG thông thường; chất lượng mối hàn MIG kém đẹp hơn TIG và khó hàn inox mỏng < 2 mm.
- Khí bảo vệ Ar+2%N₂ dùng khi nào?
- Ar+2%N₂ dùng cho hàn TIG inox duplex (2205, 2507) và austenitic có chứa N (316N, 317N); nitơ trong khí bảo vệ bổ sung N mất đi trong quá trình hàn, duy trì cân bằng austenite/ferrite và độ bền mối hàn.
- Tại sao nhiệt độ inter-pass phải ≤ 150°C?
- Nhiệt độ inter-pass cao làm kim loại vùng HAZ cộng dồn thời gian ở 425–850°C, tăng nguy cơ sensitization; ≤ 150°C đảm bảo kim loại nguội đủ giữa các đường hàn, hạn chế thời gian trong vùng nhạy cảm nhiệt.
- Hàn inox ferrite (430) và austenite (304) có gì khác nhau?
- Inox ferrite (430) kém dẻo hơn austenite, dễ hạt lớn (grain growth) tại HAZ khi hàn; dùng TIG nhiệt đầu vào thấp, không cần dùng mác L (ferrite có ít C hơn austenite); que hàn ER430 hoặc ER309L cho dị kim loại ferrite-austenite.
- Backing gas argon cần thiết không nếu chỉ hàn kết cấu không gỉ?
- Với kết cấu chịu lực không yêu cầu kháng ăn mòn mặt chân: có thể không cần backing gas; với đường ống thực phẩm, y tế, hóa chất: bắt buộc cần backing gas Ar để mặt chân mối hàn bóng sáng, không oxy hóa, không màu nhiệt — đây là yêu cầu vệ sinh và kháng ăn mòn.
- Kiểm tra chất lượng mối hàn inox bằng phương pháp gì?
- VT (visual testing) quan sát bề mặt; PT (penetrant testing) dò rỗ khí và nứt bề mặt; RT (radiographic testing) và UT (ultrasonic testing) dò khuyết tật bên trong; Strauss test (ASTM A262) kiểm tra sensitization; PMI (positive material identification) kiểm tra thành phần hóa học que hàn và vật liệu nền.
- Inox 304 và 316 có thể hàn với nhau không?
- Có — dùng que hàn ER316L (tiêu chuẩn cao hơn, phù hợp cả hai); tránh dùng ER308L cho mối hàn 316 vì thiếu Mo làm giảm kháng ăn mòn mối hàn.