Hàn hồ quang là gì? Tìm hiểu kiến thức và các phương pháp hàn phổ biến

Hàn hồ quang là gì? Đây là một trong những phương pháp hàn phổ biến và lâu đời nhất, đóng vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp. Từ những cây cầu vĩ đại đến các sản phẩm gia dụng quen thuộc, công nghệ hàn hồ quang đã chứng minh sự hiệu quả và linh hoạt vượt trội. Hãy cùng Thiên Phú tìm hiểu chi tiết về nguyên lý, đặc điểm và ứng dụng của phương pháp hàn que (hàn hồ quang) trong bài viết chuyên sâu này.

Hàn hồ quang là gì?

Hàn hồ quang (hay hàn que, SMAW – Shielded Metal Arc Welding) là một quy trình hàn nhiệt điện sử dụng nhiệt lượng sinh ra từ hồ quang điện để làm nóng chảy kim loại tại vị trí nối. Hồ quang được tạo ra giữa điện cực (que hàn) và vật liệu hàn (phôi). Khi kim loại nguội đi, nó sẽ đông đặc lại, tạo thành một mối hàn bền vững, kết nối hai chi tiết kim loại với nhau.

Quá trình này không chỉ đơn thuần là làm nóng chảy kim loại. Lớp thuốc bọc trên que hàn khi cháy sẽ tạo ra một lớp khí bảo vệ và xỉ lỏng, ngăn chặn tác động của oxy và nitơ trong không khí, giúp mối hàn không bị oxy hóa, từ đó nâng cao chất lượng và độ bền.

Lịch sử phát triển hàn hồ quang

Công nghệ hàn hồ quang có một lịch sử phát triển lâu đời và đầy thú vị, bắt đầu từ những khám phá khoa học cơ bản.

• Nền tảng đầu tiên (Thế kỷ 19): Năm 1802, nhà vật lý người Nga Vasilii V. Petrov đã phát hiện ra hiện tượng hồ quang điện khi ông sử dụng điện áp cao giữa hai điện cực carbon. Tuy nhiên, khám phá này ban đầu chỉ mang tính chất nghiên cứu.
• Phát minh hàn hồ quang (cuối thế kỷ 19): Phải đến năm 1882, Nikolai Benardos mới ứng dụng hiện tượng này để hàn kim loại. Ông được xem là cha đẻ của phương pháp hàn hồ quang carbon. Vài năm sau, vào năm 1888, nhà khoa học người Nga Nikolai Slavyanov đã thay thế điện cực carbon bằng điện cực kim loại nóng chảy, đây là cột mốc quan trọng, đánh dấu sự ra đời của hàn hồ quang dùng que hàn tự nóng chảy, tạo nên nền tảng cho công nghệ hiện đại.
• Phát triển hàn hồ quang hiện đại (Thế kỷ 20): Sự cải tiến lớn nhất đến từ Oscar Kjellberg (Thụy Điển) vào năm 1907, khi ông phát minh ra que hàn có thuốc bọc. Lớp thuốc bọc này có tác dụng ổn định hồ quang, tạo khí bảo vệ và khử oxy, giúp cải thiện đáng kể chất lượng mối hàn.

Ngày nay, hàn hồ quang đã phát triển thành nhiều kỹ thuật đa dạng như hàn MIG/MAG (hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ), hàn TIG (hàn hồ quang vonfram trong môi trường khí trơ),… nhưng phương pháp hàn que truyền thống (SMAW) vẫn giữ vị trí quan trọng nhờ tính tiện lợi và chi phí thấp.

Ưu và nhược điểm của hàn hồ quang

Ưu điểm

• Thiết bị đơn giản và gọn nhẹ: Máy hàn hồ quang có cấu tạo nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển và sử dụng.
• Chi phí thấp: Chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị và vật liệu hàn tương đối thấp, phù hợp với các xưởng nhỏ và thợ hàn cá nhân.
• Tính linh hoạt cao: Có thể hàn được ở nhiều vị trí khác nhau (phẳng, đứng, ngang, trên cao) và trong mọi điều kiện môi trường, kể cả nơi có gió lùa.
• Đa dạng vật liệu: Hàn được nhiều loại thép phổ biến như thép carbon, thép hợp kim, thép không gỉ và gang.

Nhược điểm

• Năng suất thấp: Tốc độ hàn chậm hơn so với các phương pháp tự động hóa như hàn MIG/MAG.
• Yêu cầu kỹ năng thợ hàn cao: Thợ hàn cần có kinh nghiệm để kiểm soát hồ quang, tốc độ di chuyển và góc độ que hàn.
• Chất lượng mối hàn không đồng đều: Phụ thuộc nhiều vào tay nghề thợ, dễ phát sinh các khuyết tật hàn như bắn tóe, rỗ khí, không ngấu.
• Khó hàn các kim loại mỏng: Nhiệt độ cao dễ làm cháy thủng vật liệu mỏng.

Sự hình thành của hàn hồ quang

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện mạnh trong chất khí (thường là không khí) giữa hai điện cực có điện áp cao. Trong hàn hồ quang, hồ quang được tạo ra bằng cách chạm nhẹ đầu que hàn vào vật hàn để tạo ngắn mạch, sau đó nhấc lên một khoảng cách nhỏ.

• Giai đoạn 1: Tạo ngắn mạch: Khi que hàn chạm vào vật hàn, dòng điện lớn đi qua, gây ra nhiệt độ cao làm nóng chảy một phần kim loại ở đầu que và bề mặt vật hàn.
• Giai đoạn 2: Phóng điện và tạo hồ quang: Khi nhấc que hàn lên, khoảng cách giữa hai điện cực trở thành một khe hở. Nhiệt độ cao từ quá trình ngắn mạch đã ion hóa không khí trong khe hở, biến nó thành chất dẫn điện. Dòng điện tiếp tục đi qua khe hở này, duy trì sự phóng điện liên tục dưới dạng hồ quang hàn. Nhiệt độ hồ quang có thể lên tới 6000-7000 độ C.
• Giai đoạn 3: Duy trì và kết thúc: Dòng điện hàn ổn định sẽ duy trì hồ quang liên tục. Khi quá trình hàn kết thúc, ngắt điện áp, hồ quang tắt.

Phạm vi ứng dụng hàn hồ quang hiện nay

Hàn hồ quang là một công nghệ linh hoạt và thiết yếu, có mặt trong hầu hết các ngành công nghiệp chế tạo và sửa chữa, nhờ khả năng tạo ra các mối nối bền vững trên nhiều loại vật liệu. Sự đa dạng về phương pháp và tính chất đã giúp nó trở thành công cụ không thể thiếu.

• Sản xuất và xây dựng: Đây là phương pháp hàn phổ biến nhất hiện nay, từ các xưởng cơ khí lớn đến những thợ sửa chữa máy móc nhỏ. Nó được áp dụng rộng rãi trong ngành xây dựng kết cấu thép và chế tạo công nghiệp.  
• Chế tạo máy móc và thiết bị: Hàn hồ quang được sử dụng để hàn các bộ phận máy móc, công cụ và các thiết bị chế tạo khác, đảm bảo độ bền và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng.  
• Công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ: Trong ngành ô tô, hàn hồ quang được dùng để hàn các khung xe, tạo ra các kết nối chắc chắn và an toàn. Trong ngành hàng không vũ trụ, nó được sử dụng để lắp ráp các cấu trúc máy bay và tàu vũ trụ, nơi yêu cầu các kết nối chính xác và nhẹ.  
• Y tế và điện tử: Hàn hồ quang có ứng dụng trong sản xuất các thiết bị y tế như dụng cụ phẫu thuật, thiết bị X-quang và các bộ phận y tế khác. Trong ngành điện tử, nó được dùng để lắp ráp và hàn các linh kiện điện tử nhỏ và mạch in, đòi hỏi độ chính xác cao.  
• Năng lượng và đóng gói: Công nghệ này cũng được sử dụng trong việc sản xuất các linh kiện cho ngành năng lượng tái tạo, như pin mặt trời và turbine gió. Ngoài ra, nó còn được áp dụng để hàn các vật liệu đóng gói và bao bì cho sản phẩm thực phẩm và đồ uống.  

Về vật liệu, hàn hồ quang thường được dùng để hàn các loại thép carbon, thép hợp kim cao và thấp, thép không gỉ, gang xám và gang dẻo. Tuy nhiên, nó ít được sử dụng cho hàn các loại kim loại màu như Niken, Đồng, Nhôm và các loại hợp kim của chúng. Đáng chú ý, hàn hồ quang tay còn có thể hàn các vật liệu phi kim loại như nhựa và composite, mặc dù ứng dụng này ít phổ biến hơn.  

Phân loại hàn hồ quang phổ biến

Hàn hồ quang có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, giúp lựa chọn phương pháp phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

Phân loại theo dòng điện hàn

Hàn hồ quang có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, giúp người thợ và kỹ sư lựa chọn phương pháp phù hợp nhất cho từng yêu cầu kỹ thuật và vật liệu cụ thể. Việc hiểu rõ các phân loại này là cần thiết để tối ưu hóa quy trình hàn.

• Hàn bằng dòng điện xoay chiều (AC): Hàn bằng dòng điện xoay chiều có đặc điểm là khó gây hồ quang và khó hàn hơn so với dòng điện một chiều. Chất lượng mối hàn tạo ra thường không cao bằng khi sử dụng dòng điện một chiều. 
• Hàn bằng dòng điện một chiều (DC): So với máy hàn dòng điện xoay chiều, máy hàn bằng dòng điện một chiều đắt tiền hơn. Tuy nhiên, chúng lại hiệu quả hơn, dễ gây hồ quang và dễ hàn, đồng thời cho chất lượng mối hàn đẹp hơn. Dòng điện một chiều thích hợp cho các vật liệu yêu cầu độ chính xác và chất lượng cao, như thép không gỉ và các kim loại màu.  

So sánh đặc điểm dòng điện xoay chiều và một chiều trong hàn hồ quang

Đặc điểm	Dòng điện xoay chiều (AC)	Dòng điện một chiều (DC)
Gây hồ quang	Khó hơn	Dễ hơn
Độ dễ hàn	Khó hàn	Dễ hàn
Chất lượng mối hàn	Không cao bằng DC	Đẹp và chất lượng cao
Giá thành thiết bị	Thấp, thiết bị đơn giản	Cao hơn
Ứng dụng tiêu biểu	Hàn thép carbon, ứng dụng không yêu cầu chất lượng quá cao	Hàn thép không gỉ, kim loại màu, ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao

Phân loại theo điện cực

Điện cực trong hàn hồ quang được phân loại thành hai loại chính: điện cực không nóng chảy và điện cực nóng chảy, mỗi loại có vai trò và đặc tính riêng biệt.

• Điện cực không nóng chảy (Non-consumable Electrode): Điện cực không nóng chảy được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất cao như vonfram hoặc grafit. Đường kính của que hàn vonfram thường từ 1-5mm, trong khi que hàn grafit có đường kính lớn hơn, từ 6-12mm. Chiều dài tiêu chuẩn của loại que hàn này thường là 250mm, với đầu vát côn.
• Điện cực nóng chảy (Consumable Electrode): Điện cực hàn nóng chảy (thường gọi là que hàn) được chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim có thành phần gần với thành phần cấu tạo của vật hàn. Lõi que hàn có đường kính lý thuyết từ 6-12mm, nhưng trong thực tế thường dùng loại có đường kính từ 1-6mm. Chiều dài của que hàn dao động từ 250-450mm.  

So sánh điện cực không nóng chảy và nóng chảy

Đặc điểm	Điện cực không nóng chảy	Điện cực nóng chảy
Vật liệu chế tạo	Vonfram, grafit	Kim loại/hợp kim có thành phần gần vật hàn
Yêu cầu kim loại phụ	Cần que hàn phụ	Điện cực tự cung cấp kim loại phụ
Vai trò của điện cực	Tạo và duy trì hồ quang	Tạo hồ quang và cung cấp kim loại phụ
Ưu điểm	Hồ quang ổn định, mối hàn sạch, chính xác	Năng suất cao, dễ sử dụng, bảo vệ mối hàn tốt
Nhược điểm/Yêu cầu đặc biệt	Cần que hàn phụ, tốc độ hàn chậm hơn	Yêu cầu làm sạch xỉ sau hàn (với que bọc thuốc)
Ví dụ phương pháp hàn	Hàn TIG (GTAW)	Hàn hồ quang tay (SMAW), MIG/MAG (GMAW)

Phân loại theo cách đấu dây các điện cực khi hàn

Đối với hàn DC, cách đấu dây có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố nhiệt độ tại mối hàn.

• Nối thuận (DCEN – Direct Current Electrode Negative): Cực âm (-) nối với que hàn, cực dương (+) nối với vật hàn. 2/3 nhiệt tập trung ở vật hàn, thích hợp để hàn vật liệu dày, hàn thép.
• Nối nghịch (DCEP – Direct Current Electrode Positive): Cực dương (+) nối với que hàn, cực âm (-) nối với vật hàn. 2/3 nhiệt tập trung ở que hàn, thích hợp để hàn vật liệu mỏng, các kim loại màu, gang.

Các ký hiệu thuật ngữ chuyên ngành trong hàn hồ quang

Trong ngành hàn hồ quang, việc nắm vững các thuật ngữ chuyên ngành và nhận diện các khuyết tật mối hàn là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng công việc và an toàn lao động. Sự hiểu biết này giúp giao tiếp hiệu quả và khắc phục vấn đề kịp thời. [1]

• SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Thường được gọi là hàn hồ quang tay hoặc hàn que bọc thuốc. Đây là phương pháp hàn hồ quang tạo liên kết kim loại bằng nhiệt lượng hồ quang giữa que hàn có thuốc bọc và vật hàn. Khí bảo vệ vũng hàn được tạo ra từ sự phân hủy của thuốc bọc khi cháy.  
• GMAW (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ. Phương pháp này bao gồm hàn MIG (sử dụng khí trơ) và MAG (sử dụng khí hoạt tính hoặc hỗn hợp khí), tạo liên kết kim loại bằng nhiệt lượng hồ quang giữa dây hàn nóng chảy liên tục và vật hàn. Khí bảo vệ được cung cấp từ nguồn bên ngoài.  
• GTAW (Gas Tungsten Arc Welding): Hàn hồ quang điện cực tungsten trong môi trường khí trơ, còn gọi là hàn TIG. Phương pháp này tạo liên kết kim loại bằng nhiệt lượng hồ quang giữa điện cực vonfram (W) không nóng chảy và vật hàn, với khí trơ (Ar, He) bảo vệ hồ quang và vũng hàn.  
• SAW (Submerged Arc Welding): Hàn hồ quang dưới lớp thuốc. Hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ bằng khí bảo vệ và lớp xỉ do thuốc hàn nóng chảy tạo ra.  
• FCAW-G (Flux Cored Arc Welding): Hàn hồ quang dây hàn có lõi bột bột trong môi trường khí hoạt tính. Phương pháp này sử dụng dây hàn có lõi chứa thuốc, có thể tự bảo vệ hoặc cần khí bảo vệ bổ sung từ bên ngoài.  
• PAW (Plasma Arc Welding): Hàn hồ quang Plasma. Đây là phương pháp hàn sử dụng hồ quang plasma có năng lượng tập trung cao.  

Các tổ chức quốc tế và quốc gia như AWS (Hiệp hội Hàn Mỹ), ASME (Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Mỹ), ISO (Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế), JIS (Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản) đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu chuẩn hóa các thuật ngữ và quy trình hàn. Việc này đảm bảo sự giao tiếp rõ ràng, kiểm soát chất lượng nhất quán và tuân thủ các quy định an toàn trên toàn cầu. Điều này cho thấy đào tạo và chứng nhận chính thức trong ngành hàng không chỉ là về kỹ năng mà còn về việc nắm vững một ngôn ngữ chung về chất lượng và an toàn.

Hàn hồ quang đã và đang là một công nghệ cốt lõi, không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Với lịch sử phát triển lâu dài và những tiến bộ không ngừng, nó tiếp tục là động lực cho sự đổi mới trong sản xuất và chế tạo.Chính vì vậy, Thiên Phú luôn cập nhật các phương pháp hàn hiện đại và công nghệ tiên tiến để hỗ trợ tối đa cho khách hàng. Để liên hệ với Thiên Phú, hãy truy cập vào site https://giangiaoviet.com/ để chúng tôi có thể tư vấn giải pháp phù hợp cho bạn.

Nguồn tham khảo:

[1] (Ký Hiệu Quy Ước Các Loại Quá Trình Hàn Nóng Chảy, n.d.)