Tìm hiểu hàn nhôm so với hàn thép

Hàn nhôm đưa ra một số thách thức độc đáo so với hàn thép hoặc các vật liệu thông thường khác, đặc biệt là về tính chất hóa học và độ nhạy của vết nứt.

Trong nhiều trường hợp, hàn nhôm đòi hỏi phải tuân theo một số quy trình đặc biệt. Các yếu tố quan trọng khi hàn vật liệu bao gồm: chọn đúng kim loại phụ; lưu trữ thích hợp và làm sạch kỹ lưỡng vật liệu cơ bản; và kỹ thuật hàn thích hợp.

Dưới đây là một số thách thức phổ biến khi hàn nhôm và các phương pháp hay nhất chính để giải quyết chúng.

Đặc điểm của Nhôm

Một mối hàn tốt là tất cả về hóa học, khử hydrocacbon và kỹ thuật thích hợp. Các đặc tính của nhôm khác với thép theo nhiều cách. Điểm nóng chảy của nhôm thấp hơn nhiều so với thép — 1.221 độ F đối với nhôm, so với 2.500 độ đối với thép. Nhôm cũng có một lớp oxit nóng chảy ở khoảng 3.700 độ. Lớp oxit này cứng hơn nhiều so với nhôm và giúp vật liệu chống lại sự ăn mòn và mài mòn. Tuy nhiên, nó cũng hoạt động như một chất cách điện có thể tạo ra các vấn đề trong quá trình hàn.

Bởi vì độ bền của nhôm có xu hướng tăng lên khi nhiệt độ sử dụng giảm — không giống như thép, trở nên giòn hơn khi nhiệt độ sử dụng giảm — nhôm thường được sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ lạnh, chẳng hạn như chất làm lạnh và vận chuyển khí thiên nhiên lỏng.

Trong khi sắt là hợp kim chính trong thép, thì vật liệu nhôm chủ yếu là nhôm với việc bổ sung nhiều nguyên tố khác nhau.

Các hợp kim rèn, như nhôm sê-ri 1xxx, là nhôm nguyên chất không có nguyên tố hợp kim nào được thêm vào một cách có chủ ý. Các nguyên tố hợp kim chính trong các loại nhôm khác là đồng trong chuỗi 2xxx, mangan trong chuỗi 3xxx, silicon trong chuỗi 4xxx, magiê trong chuỗi 5xxx, magiê và silicon trong chuỗi 6xxx, kẽm trong chuỗi 7xxx và các nguyên tố khác trong chuỗi 8xxx.

Những thách thức của hàn nhôm

Các đặc tính khác nhau của nhôm trở nên rõ ràng trong quá trình hàn. Tính dẫn nhiệt và các vấn đề về độ xốp là hai điểm khác biệt lớn nhất khi hàn nhôm so với hàn thép.

Hiđro tan rất nhiều trong nhôm lỏng. Khi vật liệu độn và kim loại cơ bản nhôm trở thành chất lỏng trong quá trình hàn, chúng sẽ hấp thụ hydro và có thể giữ hydro trong dung dịch. Khi vật liệu nóng chảy bắt đầu đông đặc, nó không thể giữ hydro trong hỗn hợp đồng nhất nữa. Hydro tạo thành các bong bóng bị giữ lại trong kim loại, dẫn đến hiện tượng xốp.

Hỗn hợp khí che chắn helium/argon có thể được sử dụng để chống lại các vấn đề về độ xốp nếu tất cả các lựa chọn khác đã được thử. Xin lưu ý rằng với hỗn hợp heli, điện áp phải được tăng lên để khắc phục khả năng ion hóa cao hơn của khí này so với argon. Điện áp tăng sẽ gây ra nhiệt đầu vào cao hơn và độ xuyên thấu bổ sung, đó là lý do tại sao hỗn hợp này được sử dụng trên vật liệu nền nhôm dày hơn.

Không giống như thép, sự hiện diện của hydro không gây ra vết nứt trong các mối hàn nhôm. Tuy nhiên, hiện tượng nứt nóng, có thể xảy ra khi mối hàn đông cứng, là mối đe dọa đối với nhôm. Giải pháp cho vấn đề này quay trở lại với hóa học. Nếu nứt nóng là một vấn đề, hãy tham khảo biểu đồ lựa chọn kim loại phụ nhôm để tìm kim loại phụ giải quyết tốt nhất vấn đề này.

Kim loại cơ bản nhôm 6061 là một ví dụ về vật liệu có tính nhạy cảm với vết nứt cao nhất ở hóa chất hiện tại, khiến cho việc hàn tự động hoặc với vật liệu độn hóa học tương tự rất khó khăn. Sử dụng kim loại phụ có các nguyên tố như magie (ER5XXX) hoặc silicon (ER4XXX) có thể giúp đẩy vật liệu ra ngoài phạm vi dễ bị nứt.

Một thách thức khác với nhôm là nó dẫn nhiệt gấp 5 lần so với thép. Các khu vực mát mẻ của kim loại cơ bản cố gắng kéo nhiệt ra khỏi vũng hàn, điều này có thể gây ra sự thiếu thâm nhập vào mối hàn. Do sự khác biệt về độ dẫn nhiệt này, nhôm yêu cầu đầu vào nhiệt cao hơn nhiều so với thép trong quá trình hàn.

Chọn một kim loại phụ

Điều quan trọng là sử dụng biểu đồ lựa chọn khi chọn kim loại phụ cho nhôm. Mỗi sự kết hợp của các ký hiệu nhôm có các tùy chọn kim loại phụ được khuyến nghị, tùy thuộc vào đặc điểm mối hàn mà ứng dụng yêu cầu.

Biểu đồ lựa chọn bao gồm tám đặc điểm quan trọng trong các ứng dụng hàn khác nhau: độ nhạy vết nứt, độ bền, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn, dịch vụ nhiệt độ cao, màu sắc phù hợp sau khi anot hóa, xử lý nhiệt sau hàn và độ bền. Bằng cách phân tích nhu cầu của thành phần cuối, có thể xác định tính chất nào là quan trọng nhất trong ứng dụng cụ thể và chọn kim loại phụ phù hợp nhất với các đặc tính cần thiết. Điều quan trọng cần lưu ý là nhiệt độ dịch vụ cao với nhôm là 150 độ đến 350 độ F. Điều này và các định nghĩa khác về các đặc tính có thể được tìm thấy trên biểu đồ lựa chọn nhôm.

Một tùy chọn khác là sử dụng ứng dụng chọn kim loại phụ, chẳng hạn như ứng dụng này. Bạn có thể tìm thấy thông tin tương tự trên biểu đồ lựa chọn đầy đủ trong ứng dụng, nhưng nó chỉ hiển thị kim loại phụ cho các vật liệu cơ bản đã chọn.

Lựa chọn kim loại phụ thích hợp luôn luôn là chìa khóa. Ví dụ: nếu vật liệu cơ bản được hàn là nhôm 6061, thì các lựa chọn kim loại phụ tốt bao gồm 4043, 4943 và 5356. Dây hàn hồ quang kim loại bằng khí (GMAW) 4043/4943 hoặc que hàn hồ quang vonfram khí có thể làm giảm độ xốp và mang lại khả năng hàn tốt hơn và tăng tính lưu động của vũng nước, trong khi sản phẩm 5356 mang lại độ dẻo dai và độ bền cao hơn.

Thực hành tốt nhất

Cùng với việc chọn kim loại phụ phù hợp nhất cho ứng dụng, việc tuân theo một số phương pháp hay nhất chính cũng có thể giúp đạt được thành công khi hàn nhôm.

• • Đừng dệt. Mặc dù kỹ thuật dệt thường được sử dụng để hàn thép nhưng không nên sử dụng kỹ thuật này với nhôm. Thay vào đó, hãy sử dụng loại hạt có dây mảnh hơn, giúp đảm bảo sự thâm nhập và hợp nhất thích hợp. Đối với nhôm GMAW, hãy chắc chắn sử dụng đầu vào nhiệt cao hơn và tốc độ di chuyển nhanh để ở phía trước vũng nước.

• • Làm sạch kim loại. Làm sạch hoàn toàn vật liệu cơ bản trước khi hàn để loại bỏ dầu, bụi bẩn, cặn và độ ẩm. Điều này giúp đảm bảo kết quả tốt nhất và giảm khả năng bị xốp. Chất tẩy axeton hoặc nhôm hoạt động tốt để loại bỏ hydrocacbon có thể có trên bề mặt vật liệu. Khi chuẩn bị các mối hàn, không thổi chúng bằng khí nén, vì điều này có thể gây nhiễm bẩn do hơi ẩm và dầu nếu sử dụng dụng cụ của cửa hàng.

• • Loại bỏ lớp oxit. Sau khi làm sạch, sử dụng bàn chải bằng thép không gỉ – loại mới hoặc chỉ được sử dụng trên nhôm để loại bỏ lớp oxit nhôm trước khi hàn. Như đã đề cập trước đây, nhôm oxit có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với nhôm. Nó hoạt động như một chất cách điện có thể gây ra sự cố bắt đầu hồ quang và cần nhiệt độ rất cao để hàn qua lớp oxit. Điều này có thể gây ra vết cháy trên vật liệu nền và độ xốp, vì lớp oxit có xu hướng giữ ẩm.

• • Lưu trữ nó đúng cách. Thực hành lưu trữ đối với vật liệu cơ bản và kim loại phụ cũng đóng một vai trò trong việc ngăn ngừa độ xốp. Lưu trữ các tấm nhôm bên trong khi có thể. Nếu chúng phải được bảo quản ngoài trời, hãy xếp các tấm theo phương thẳng đứng thay vì xếp chồng lên nhau để tránh nước đọng lại, điều này sẽ góp phần hình thành lớp oxit nhôm ngậm nước dày hơn. Đối với vật liệu và kim loại phụ được bảo quản bên ngoài hoặc trong khu vực có điều hòa không khí của tòa nhà, hãy mang chúng vào trong cửa hàng trước khi hàn—tốt nhất là vào ngày hôm trước—để nhiệt độ kim loại ổn định và giúp ngăn hơi ẩm trong không khí tạo ra sự ngưng tụ trên bề mặt hàn. nhôm.

• • Kiểm tra các vật tư tiêu hao. Một số vấn đề khi hàn nhôm đặc biệt là khi sử dụng GMAW có thể xuất phát từ vật tư tiêu hao. Để giúp giảm nguy cơ bị rỗ khí, hãy sử dụng các đường ống và ống dẫn khí mới hoặc ở tình trạng tốt và đảm bảo rằng tất cả các đầu nối ống đều chặt chẽ để chúng không kéo không khí vào đường ống.Việc sử dụng các tấm lót và cuộn truyền động thích hợp cũng rất quan trọng. Các tấm lót nhựa và thanh dẫn đầu vào có thể mang lại lợi ích so với các thanh dẫn bằng thép trong hàn nhôm vì các thanh dẫn dẫn đầu vào bằng kim loại hoặc đồng thau và các thanh lót bằng thép có thể mài mòn dây nhôm mềm hơn khi nó di chuyển qua hệ thống truyền động và thanh lót. Điều này có thể dẫn đến phoi dây làm tắc nghẽn lớp lót và gây ra các vấn đề về cấp liệu. Tương tự, cuộn truyền động rãnh chữ U là tiêu chuẩn cho các ứng dụng bằng nhôm vì các loại cuộn truyền động khác có thể làm dây bị dập hoặc biến dạng.

• Theo dõi nhiệt độ. Tham khảo hướng dẫn hoặc mã kim loại phụ nhôm để xác định phạm vi nhiệt độ gia nhiệt trước và nhiệt độ xen kẽ thích hợp. Gia nhiệt sơ bộ có thể được sử dụng để giảm hiệu ứng nhiệt của kích thước phần khi hàn các kim loại cơ bản dày hoặc các độ dày khác nhau, nhưng giữ gia nhiệt sơ bộ ở mức tối thiểu cho các ứng dụng nhôm.

  Các kim loại cơ bản có thể xử lý nhiệt và các kim loại cơ bản thuộc sê-ri 5xxx có chứa hơn 3 phần trăm magiê không được nung nóng trước hoặc nhiệt độ giữa các lớp trên 250 độ F trong hơn 15 phút. Thời gian ở nhiệt độ cao có thể làm giảm độ bền của vật liệu và góp phần gây nứt.

Giải quyết vấn đề là chìa khóa dẫn đến thành công

Giải quyết những thách thức khi hàn nhôm thường liên quan đến hóa học. Việc tạo ra vật liệu nền phù hợp và kim loại phụ phù hợp sẽ giúp bạn đạt được thành công và giảm thiểu sự cố trong một chặng đường dài. Điều quan trọng là phải tuân theo các phương pháp hay nhất được khuyến nghị để hàn nhôm. Và hãy nhớ rằng, các kỹ thuật và thực hành tốt nhất để hàn nhôm rất khác so với hàn thép.